INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CAMPUS SÃO MATEUS
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
RUAN SCHULTZ RIGUETTI
DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO PARA
DIMENSIONAMENTO DE PV/T CONFORME PERFIL DE CONSUMO ENERGÉTICO DE UMA EDIFICAÇÃO RESIDENCIAL
SÃO MATEUS-ES 2022
RUAN SCHULTZ RIGUETTI
DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO PARA
DIMENSIONAMENTO DE PV/T CONFORME PERFIL DE CONSUMO ENERGÉTICO DE UMA EDIFICAÇÃO RESIDENCIAL
Projeto de trabalho de conclusão de curso apresentada à Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica do Instituto Federal do Espírito Santo, Campus São Mateus, como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.
Orientador: Me. Rodrigo Fiorotti.
Coorientador: Dr. Arthur Eduardo Alves Amorim.
SÃO MATEUS-ES 2022
Dados internacionais de catalogação na publicação (CIP)
R572d Riguetti, Ruan Schultz, 1999-
Desenvolvimento de um método para dimensionamento de PV/T conforme perfil de consumo energético de uma edificação residencial / Ruan Schultz Riguetti.-- 2022.
63 f. : il. ; 30 cm.
Orientador : Rodrigo Fiorotti.
Coorientador: Arthur Eduardo Alves Amorim.
Monografia (graduação) - Instituto Federal do Espírito Santo, Campus São Mateus, Coordenadoria de Curso Superior de Engenharia Mecânica, 2022.
1. Energia solar. 2. Energia – Fontes alternativas. 3. Aquecedores solares de água. I. Fiorotti, Rodrigo. II. Amorim, Arthur Eduardo Alves. III.
Instituto Federal do Espírito Santo. Campus São Mateus. IV. Título.
CDD 22 – 621.473 Bibliotecária responsável: Sheila Guimarães Martins CRB6-ES 671
INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CAMPUS SÃO MATEUS
Rodovia BR 101-Norte – Km 58 – Bairro Litorâneo – 29932-540 – São Mateus – ES 27 3771-1262
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
RUAN SCHULTZ RIGUETTI
DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO PARA DIMENSIONAMENTO DE PV/T CONFORME PERFIL DE CONSUMO ENERGÉTICO DE UMA EDIFICAÇÃO
RESIDENCIAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Coordenadoria do Curso de Engenharia Mecânica do Instituto Federal do Espirito Santo, Campus São Mateus, como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica.
RESUMO
O sistema fotovoltaico híbrido (PV/T, do inglês photovoltaic/thermal) consiste em uma versão aprimorada dos sistemas fotovoltaicos (PV) tradicionais. O PV/T é utilizado para aproveitar a energia solar dissipada em forma de calor pelo módulo fotovoltaico, contendo um trocador de calor abaixo do painel, cuja finalidade é captar parte da energia solar dissipada em forma de calor e aquecer um fluido de trabalho.
O dispositivo apresenta como principal vantagem o aproveitamento da energia térmica para aplicações de baixa temperatura, além do fato da redução de temperatura de operação da célula ocasionar aumento da sua vida útil e da eficiência elétrica do sistema. Neste trabalho, propõe-se o desenvolvimento de uma metodologia de dimensionamento para os sistemas PV/Ts, de modo a definir a quantidade mínima de módulos PV convencionais, módulos PV/T e o volume do boiler necessário para garantir suprimento de energia elétrica e térmica para uma residência, além do bom desempenho do gerador. Para auxiliar no dimensionamento, foi desenvolvida uma modelagem térmica do sistema completo (módulo PV/T + boiler) por meio do método de resistências térmicas, a fim de definir a temperatura, a transferência de calor e as eficiências do sistema como um todo. O equacionamento foi resolvido computacionalmente observando a resposta do sistema às mudanças aplicadas. Com base no dimensionamento proposto, obtiveram-se resultados satisfatórios para os diferentes casos avaliados, onde se encontrou a quantidade de módulos fotovoltaicos (PVs+PV/Ts) necessários para suprir a demanda térmica e elétrica da residência. Conclui-se que o desempenho do sistema projetado conforme o método proposto apresenta-se satisfatório para os climas de inverno e de verão. Essa avaliação foi realizada observando-se a temperatura da água armazenada no boiler e a potência elétrica gerada pelos sistemas fotovoltaicos na simulação computacional. Além disso, foi verificado que para o dimensionamento do sistema térmico, quantidade de módulos PV/T e volume do boiler, devem-se utilizar como dados de entrada as condições climáticas do inverno, período mais crítico de captação de energia térmica.
Palavras-chave: Painéis Solares Híbridos, Eficiência Energética, Transferência de Calor, Metodologia de Dimensionamento.
ABSTRACT
The hybrid photovoltaic (PV/T) system is an improved version of traditional photovoltaic (PV) systems. PV/T is used to take advantage of the solar energy dissipated as heat by the photovoltaic module, containing a heat exchanger below the panel whose purpose is to capture part of the solar energy dissipated as heat and to warm a working fluid. The device's main advantage is the use of the thermal energy captured for low-temperature applications, in addition to the fact that the cell's operating temperature reduction causes an increase in its lifespam and the system electrical efficiency. This work proposes the development of a sizing methodology for PV/Ts systems in order to define the minimum amount of conventional PV modules, PV/T modules and the boiler volume necessary to guarantee the supply of electrical and thermal energy for the consumer unit, in addition to the good performance of the generator. To assist in the sizing, a thermal modeling of the complete system (PV/T module + boiler) was developed through the thermal resistance method, in order to define the temperature, heat transfer and the efficiencies of the system as a whole.
The equation was solved computationally by observing the system response to the applied changes. Based on the proposed design, satisfactory results were obtained for the different cases evaluated, where the number of photovoltaic modules (PVs+PV/Ts) needed to supply the thermal and electrical demand of the residence was found. It is concluded that the performance of the designed system, according to the proposed method, is satisfactory, in any climatic condition. This evaluation was carried out by observing the temperature of the water stored in the boiler and the electrical power generated by the photovoltaic systems in the computer simulation. In addition, it was verified that for the dimensioning of the thermal system, quantity of PV/T modules and volume of the boiler, the climatic conditions of winter, the most critical period of capture of thermal energy, must be used as input data.
Keywords: Hybrid Solar Panels, Energy Efficiency, Heat Transfer, Sizing Methodology.
LISTA DE ABREVIATURAS
Resistência Térmica
Diferencial de Temperatura entre Dois Pontos;
Transferência de calor;
Resistência Térmica de Condução;
Espessura da Camada;
Condutividade Térmica da Camada;
Área Superficial da Camada;
Resistência Térmica de Convecção;
Coeficiente Térmico de Convecção;
Resistência Térmica de Irradiação;
Coeficiente Térmico de Irradiação;
̇ Vazão Mássica do Tanque de Armazenamento;
̇ Vazão Mássica da Rede Pública;
̇ Vazão Mássica da Mistura;
Temperatura da Água do Tanque de Armazenamento;
Temperatura da Água da Rede Pública;
Temperatura da Água de Mistura;
Calor Específico da Água;
Derivada Segunda da Temperatura em Função da Distância;
Energia Gerada na Camada;
Massa Específica da Camada ou Substância
Derivada Primeira da Temperatura em Função da Distância;
Temperatura no Nó Lateral Esquerdo do Sistema;
Temperatura no Nó Avaliado;
Temperatura no Nó Lateral Direito do Sistema;
̇ Energia Gerada na Camada durante Passo de Tempo Atual;
Temperatura no Nó Avalido Durante Próximo Passo de Tempo;
Temperatura no Nó Avaliado Durante Passo de Tempo Atual;
Difusividade Térmica da Camada;
Coeficiente de Fourier;
Passo de Tempo da Simulação;
Emissividade da Camada;
Constante de Stefan-Boltzmann;
Temperatura da Superfície da Camada
Temperatura do Céu;
Velocidade do Vento;
Comprimento do Painel na Direção do Vento;
Calor Armazenado no Vidro;
Irradiação Solar Real Incidida no Painel Absortividade do Vidro;
Transmissividade do Vidro;
Número de Reynolds;
Diâmetro Interno da Tubulação;
Velocidade de Escomento do Fluido;
Viscosidade Dinâmica do Fluido;
Número de Nusselt;
Número de Prandtl;
Condutividade Térmica da Água;
Calor Absorvido pelo Trocador de Calor;
Área de Troca Térmica do Trocador de Calor;
Temperatura da Tubulação;
Temperatura do Fluido;
Potência Elétrica Gerada;
Potência de Operação do Módulo – Condições STC;
Irradiação Solar – Condições STC;
Coeficiente de Temperatura do Módulo Fotovoltaico;
Temperatura da Célula Fotovoltaica;
Número de Painéis Fotovoltaicos Híbridos;
Área Coletora de Irradiação Solar Necessária;
Área do Módulo Fotovoltaico Escolhido;
Energia Elétrica Anual Necessária na Residência;
Energia Referente à Taxa Mínima de Consumo Mensal;
Energia Mensal Gasta Com o Chuveiro Elétrico Residencial;
Volume de Água Diário Usada no Banho Tempo de Duração do Banho;
Número de Acionamentos do Chuveiro Elétrico Diário;
Vazão do Chuveiro Elétrico
Volume Necessário no Tanque de Armazenamento;
Temperatura Desejada da Água no Tanque de Armazenamento;
Temperatura da Água Entregue ao Cliente;
Energia Útil Armazenada no Tanque;
Energia Associada a Perdas Térmicas;
Fator de Correção da Inclinação;
Produção Média Diária de Energia Específica;
Irradiação Global Média do Mês ou Época Avaliado;
Transmissividade-Absortância do Vidro;
Coeficiente Global de Perdas Térmicas;
Inclinação do Módulo Fotovoltaico em Relação a Horizontal;
Inclinação Ótima do Módulo Fotovoltaico no Local de Instalação;
Orientação do Módulo em Relação ao Norte Geográfico;
Resistência de Irradiação Relacionada ao Vidro;
Resistência de Convecção Relacionada ao Vidro;
Resistência de Condução Relacionada ao Vidro;
Resistência de Irradiação da Camada de Ar Interna ao Painel;
Resistência de Convecção da Camada de Ar Interna ao Painel;
Resistência de Condução Relacionada ao EVA;
Resistência de Condução Relacionada à Célula Fotovoltaica;
Resistência de Condução Relacionada ao Tedlar;
Resistência de Condução Relacionada ao Isolante;
Resistência de Condução do Trocador de Calor;
Resistência de Convecção do Isolante;
Temperatura Ambiente;
Temperatura da Camada de Isolante;
Temperatura do Trocador de Calor;
Temperatura na Camada de Tedlar;
Temperatura na Camada de EVA;
Temperatura da Camada de Ar dentro do Painel;
Temperatura Interna do Vidro;
Temperatura Externa do Vidro;
Irradiação que Chega a Célula Fotovoltaica.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 13
1.1 JUSTIFICATIVA ... 14
1.2 OBJETIVO GERAL ... 15
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 15
2 REFERENCIAL TEÓRICO ... 16
3 MODELAGEM DO PV/T ... 20
3.1 MODELAGEM TÉRMICA DO PV/T ... 20
3.2 SISTEMA DE MISTURA DE ÁGUA PARA CONFORTO TÉRMICO ... 26
3.3 MODELAGEM ELÉTRICA DO PV/T ... 27
4 METODOLOGIA DE DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA ... 28
4.1LEVANTAMENTO DO RECURSO SOLAR DISPONÍVEL ... 29
4.2 DEFINIÇÃO DA LOCALIZAÇÃO E CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA ... 29
4.3 LEVANTAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA DA UNIDADE CONSUMIDORA ... 29
4.4DIMENSIONAMENTO GERADOR FOTOVOLTAICO/TÉRMICO ... 33
4.5LEVANTAMENTO DO PERFIL DE CONSUMO DE ÁGUA QUENTE DA UNIDADE CONSUMIDORA. ... 34
4.6CÁLCULO DO VOLUME DO SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DO FLUIDO DE TRABALHO ... 34
4.7CÁLCULO DA QUANTIDADE PV/Ts NECESSÁRIOS ... 36
5 PREMISSAS DO ESTUDO DE CASO ... 37
6 FATORES DE CORREÇÃO DA METODOLOGIA PROPOSTA ... 41
7 RESULTADOS ... 43
7.1 ESTUDO DE CASO 1: RESIDÊNCIA CLASSE A ... 43
7.2 ESTUDO DE CASO 1: RESIDÊNCIA CLASSE A – INVERNO ... 44
7.3 ESTUDO DE CASO 1: RESIDÊNCIA CLASSE A – VERÃO ... 45
7.4 ESTUDO DE CASO 1: RESIDÊNCIA CLASSE A - PRINCIPAIS VALORES DE
TEMPERATURA OBTIDOS EM CADA CONDIÇÃO CLIMÁTICA ... 46
7.5 ESTUDO DE CASO 1: AVALIAÇÕES DA CAPACIDADE DE OPERAÇÃO E DISPONIBILIDADE DO SISTEMA – CLASSE A. ... 47
7.6 ESTUDO DE CASO 2: RESIDÊNCIA CLASSE B2 ... 48
7.7 ESTUDO DE CASO 2: RESIDÊNCIA CLASSE B2 – INVERNO ... 49
7.8 ESTUDO DE CASO 2: RESIDÊNCIA CLASSE B2 – VERÃO ... 50
7.9 ESTUDO DE CASO 2: RESIDÊNCIA CLASSE B2 - PRINCIPAIS VALORES DE TEMPERATURA OBTIDOS EM CADA CONDIÇÃO CLIMÁTICA ... 51
7.10 ESTUDO DE CASO 2: AVALIAÇÕES DE CAPACIDADE DE OPERAÇÃO E DISPONIBILIDADE – CLASSE B2. ... 51
7.11 ESTUDO DE CASO 3: RESIDÊNCIA CLASSE C2 ... 53
7.12 ESTUDO DE CASO 3: RESIDÊNCIA CLASSE C2 - INVERNO ... 53
7.13ESTUDO DE CASO 3: RESIDÊNCIA CLASSE C2 – VERÃO ... 55
7.14 ESTUDO DE CASO 3: RESIDÊNCIA CLASSE C2 - PRINCIPAIS VALORES DE TEMPERATURA OBTIDOS EM CADA CONDIÇÃO CLIMÁTICA ... 55
7.15 ESTUDO DE CASO 3: AVALIAÇÕES DE CAPACIDADE DE OPERAÇÃO E DISPONIBILIDADE – CLASSE C2. ... 56
7.16 EFICIÊNCIAS OBTIDAS NO ESTUDO ... 57
8 CONCLUSÃO ... 59
9 REFERÊNCIAS ... 61
1 INTRODUÇÃO
A produção de energia elétrica mundial ainda é bastante dependente de combustíveis fósseis [1]. Porém, com a crescente preocupação relacionada às questões climáticas e ambientais, surge a necessidade da criação de tecnologias de captação de recursos energéticos renováveis e sustentáveis. Mediante isso, uma alternativa para diversificar a matriz energética é a implantação das usinas fotovoltaicas (PV). Essa tecnologia de geração se apresenta em constante desenvolvimento há várias décadas [1], gerando economia de energia elétrica em edificações residenciais, organizações e ramos industriais. Atrelado a isso, diversos estudos tem buscado ampliar a eficiência desse dispositivo e reduzir seu custo de fabricação.
Embora promissora, o custo para gerar a eletricidade a partir da energia solar ainda não é acessível para qualquer consumidor, afinal, fatores econômicos, sociais, geográficos e climáticos aparecem como os principais influenciadores no consumo energético de residências espalhadas pelo mundo [2]. Sendo assim, atualmente a implementação desse dispositivo ocorre de maneira desigual perante a sociedade.
As condições climáticas em algumas regiões proporcionam maior facilidade na operação de equipamentos que aproveitam fontes renováveis, uma vez que existem países com bastante recurso solar energético disponível. Além disso, através do seu emprego, consegue-se, por exemplo, reduzir tarifas de energia pública e, garantir conforto para o ser humano em mudanças climáticas recorrentes de algumas épocas e regiões do planeta [3].
Nesse contexto, surge um dispositivo capaz de capturar, além da energia proveniente da radiação solar convertida em energia elétrica pelo efeito fotovoltaico, parte da energia térmica que é dissipada no módulo, conhecido como Sistema Híbrido Fotovoltaico Térmico (PV/T, do inglês photovoltaic/thermal), apresentando-se justamente como uma evolução dos sistemas fotovoltaicos tradicionais (PV). O sistema híbrido PV/T aproveita a energia térmica para aquecer um fluido de trabalho e utilizar essa energia para aplicações de baixa temperatura, como água
aquecida para banho. Além disso, essa troca de calor arrefece o painel fotovoltaico e aumenta sua eficiência elétrica [3].
Entre outras vantagens pertencentes aos sistemas PV/T, tem-se a redução do custo de instalação, justamente por trabalhar com um sistema híbrido e não separado, reduzindo também a área de cobertura exigida para operação. Além disso, eles podem ser facilmente integrados com outras tecnologias de energia, por exemplo, armazenamento de água quente para uso sanitário ou industrial e aquecimento de ambientes [4].
1.1 JUSTIFICATIVA
O desenvolvimento de uma metodologia adequada de dimensionamento do PVT é uma ferramenta crucial para garantir o fornecimento de energia elétrica e térmica demandada por uma unidade consumidora, além da operação eficiente do gerador.
Desse modo, pretende-se desenvolver um método de dimensionamento de sistema fotovoltaico híbrido, englobando módulo PV/T e o tanque de armazenamento. Além disso, atualmente na literatura não se encontrou uma metodologia de dimensionamento para esse equipamento, com base no perfil de consumo energético de uma residência, cuja finalidade é determinar a configuração mínima do sistema capaz suprir essa demanda. Desse modo, sabendo que componentes residenciais como o chuveiro elétrico são responsáveis por um acréscimo na tarifa de energia elétrica, busca-se dimensionar um PV/T responsável por, além de alimentar com energia elétrica a residência, proporcionar boa temperatura para água utilizada no banho. Além disso, será desenvolvido um sistema de controle de consumo responsável pela mistura entre água quente e fria. Isso se torna relevante, pois, possivelmente em alguns momentos do dia o sistema alcançará valores de temperatura inapropriados para o conforto térmico de um banho [5], dessa maneira, o procedimento de mistura seria fundamental para garantir uma temperatura ideal de 40°C para essa atividade.
1.2 OBJETIVO GERAL
Elaborar um método de dimensionamento para um sistema fotovoltaico híbrido (PV/T), com base em um perfil de consumo de energia elétrica e água quente de uma edificação residencial.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Avaliar alternativas para redução dos gastos com energia elétrica de uma edificação residencial de clima tropical;
Desenvolver modelos para o comportamento térmico e elétrico de um sistema PV/T;
Desenvolver um sistema de controle de consumo responsável pela mistura entre água quente e fria, garantindo uma temperatura ideal de 40°C para a água usada em banho conforme NBR 15569;
Propor e avaliar a metodologia de dimensionamento de um sistema fotovoltaico híbrido térmico (PV/T) com base no consumo de uma edificação residencial visando a disponibilidade e a capacidade operacional;
Identificar separadamente a quantidade necessária de painéis fotovoltaicos comuns e do tipo híbrido.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Existem vários dispositivos utilizados para aproveitar parte da energia proveniente do sol, tais como os coletores solares. Os coletores solares de placa plana são geometricamente semelhantes a um painel fotovoltaico tradicional, porém nestes ocorrem à circulação de água através de tubulações fixadas no fundo do dispositivo, sendo responsáveis por captar o calor (Figura 1) [6]. O painel fotovoltaico híbrido opera da mesma forma, porém também é capaz gerar energia elétrica concomitantemente.
Figura 1 – Esquemático de um coletor solar de placa plana.
Fonte: Tekhouse (2017).
Para esses equipamentos, uma das possibilidades de alcançar uma maior eficiência é analisar as melhores geometrias do trocador de calor e, consequentemente, diferentes maneiras de direcionar o fluido através das partes responsáveis pela troca térmica [7]. Para um sistema PV/T essas variações também são relevantes, o formato geométrico dos trocadores de calor utilizados buscam aperfeiçoar parâmetros como: eficiência, troca térmica e custos. As configurações que garantem maior aproveitamento energético geralmente são aquelas com tubos do tipo fluxo direto, formado por uma sequência de tubos intercalados; geometria em espiral [8], constituído por canais dispostos de maneira rotacional em relação ao plano do painel. Existem também os trocadores de calor compostos de aletas, componentes responsáveis por aumentar a área superficial e intensificar a troca térmica nos coletores solares [9]. Outra geometria padrão para canal de fluxo usado em módulos PV/T é conhecida como geometria do tipo roll-bond, formado pela junção de duas
placas que originam canais por onde escoa um fluido refrigerante [10], sendo essa também aplicada, por exemplo, em refrigeradores residenciais.
Os sistemas PV/T conseguem aproveitar e gerar, respectivamente, energia térmica e elétrica simultaneamente, garantindo maior rendimento global do sistema. Dessa maneira, os painéis fotovoltaicos híbridos podem trabalhar, por exemplo, com a disponibilização de água quente sanitária, aquecimento de um ambiente qualquer e geração de energia elétrica para determinado local [11].
O PV/T que geralmente usa um líquido como fluido de trabalho necessita de uma bomba hidráulica ou unidade compressora para realizar a circulação entre o coletor e tanque de armazenamento [12]. Outros ainda conseguem operar através de circulação natural, processo esse conhecido como termossifão que por meio da diferença de densidade o fluido consegue efetuar a movimentação dentro do sistema [13]. Além disso, mesmo que um conjunto que use o ar como fluido de trabalho demande menor investimento inicial [9], este ainda tem eficiência reduzida quando comparada ao uso de líquidos para a troca térmica [14]. Portanto, o agente responsável por encaminhar o calor extraído do módulo para o tanque de armazenamento consiste em um fator importante para a eficiência total do sistema.
Além disso, existem módulos PV/T que trabalham com fluidos refrigerantes, estes apresentam maior capacidade de extração de calor devido à possibilidade de evaporação do fluido [15] e menor necessidade de dimensionamento do sistema.
Suas eficiências elétrica e térmica médias são aproximadamente 15% e 46%, respectivamente [10]. Por outro lado, os painéis fotovoltaicos que operam utilizando água, além de serem, em algumas situações, mais simples e de custo inferior, conseguem alcançar geralmente 12% e 58% de eficiências elétrica e térmica máximas, conforme [16].
Outro parâmetro relevante para o alcance de bons resultados na eficiência são os materiais e camadas que compõem o conjunto do painel fotovoltaico híbrido (PV/T), que somados as condições climáticas, influenciam no potencial elétrico e térmico coletados pelo sistema. As camadas de um PV/T podem ser visualizadas conforme a Figura 2 [16] [5][15].
Figura 2 - Materiais comumente utilizados em um painel fotovoltaico híbrido.
Fonte: Maadi, Seyed – Adaptado (2019).
● Isolante, parte responsável por aprisionar o calor que seria perdido para o ambiente externo principalmente na sua parte inferior;
● Fluoreto de Polivinila (Tedlar), sua principal responsabilidade seria refletir os raios solares que transpassaram as células;
● Trocador de Calor, geometria responsável por proporcionar ao fluido uma parte do calor recebido pelo módulo ao longo do tempo;
● Células Solares, estas consistem na parte do painel responsável pela geração da energia elétrica;
● Acetato de Vinil Etileno (EVA), com propriedades dielétricas esta camada tem capacidade de proteger as células dos raios UV;
● Vidro Temperado, componente de alta transmissibilidade e responsável por evitar, na parte superior, o contato do módulo fotovoltaico com agentes externos.
Partindo para o ponto de vista econômico, investir em um tanque de armazenamento de energia térmica, juntamente com um painel fotovoltaico, proporciona maior payback [17]. Estima-se que com os desempenhos atuais, o investimento neste tipo de serviço já seja lucrativo, evidenciando uma redução do custo de instalação ano após ano, sendo esse sistema cada vez mais competitivo à medida que a tecnologia PV/T continua evoluindo [18]. Além disso, justamente por trabalhar com um sistema híbrido integrado e não separado, a área de cobertura exigida para operação é reduzida, ou seja, o sistema PV/T é compacto quando comparado ao PV tradicional.
Aliado a isso, as diversas possibilidades de uso dos fluidos de trabalho impactam ainda mais nos resultados financeiros, visto que aparelhos domésticos que
consomem energia elétrica podem ser substituídos, como chuveiros e torneiras elétricas.
Dentro de um sistema PV/T, a escolha de uma correta metodologia de dimensionamento, estudos de transferência de calor, escolha de materiais apropriados para compor o painel e o trocador de calor, além de boa definição das condições de contorno aparecem como peças cruciais no encontro de resultados seguros. Dessa forma, exemplos de analises térmicas comumentes realizadas para esse tipo de sistema são: análise considerando resistências térmicas em todas as camadas do painel [19], estudo termoeconomico do PV/T [10] e balanço exergético do sistema [20]. Estes se apresentam como caminhos para dimensionamento de um PV/T e obtenção de resultados satisfatórios do estudo.
3 MODELAGEM DO PV/T
3.1 MODELAGEM TÉRMICA DO PV/T
Com intuito de propor uma metodologia consolidada de dimensionamento de um PV/T, inicialmente deve ser proposta modelagem térmica do sistema, a fim de avaliar parâmetros como: eficiência global, temperatura do fluido no tanque de armazenamento e geração térmica total. Portanto, a fim de realizar uma análise detalhada de condução de calor no sistema PV/T, propõe-se um estudo térmico das camadas do painel conforme modelagem unidimensional através de resistências térmicas no sistema fotovoltaico híbrido. Se expressa matematicamente qualquer forma de transferência de calor através do conceito de resistência térmica
Equação 1 [21], as resistências térmicas estão relacionadas a diferença de temperatura entre dois pontos e a quantidade de calor transferido .
(1)
Os três modos de transferências de calor são denominados condução, convecção e irradiação, ambas são descritas em [21]. Segue abaixo, respectivamente, as equações para resistência térmica de condução, resistência térmica de convecção e resistência térmica de irradiação. Os parâmetros são, respectivamente, a espessura da camada avaliada, condutividade térmica do material, área de troca térmica, coeficiente térmico de convecção e coeficiente térmico de irradiação.
(2)
(3)
(4)
Vale ressaltar que, a condutividade térmica foi considerada constante devido à baixa variação de temperatura na qual as partes do PV/T seriam submetidas. Com base nas camadas apresentadas (Figura 2), optou-se por efetuar a modelagem de resistências térmicas para todo módulo PV/T (Figura 3), onde a maior parte das resistências são modeladas conforme equações 2, 3 e 4. Ainda com intuito de evitar possíveis perdas térmicas para a parte inferior do painel, foi incrementada e
modelada termicamente uma camada de isolante composta por Poliestireno, localizada atrás do módulo. As variáveis e são, respectivamente, o calor absorvido pelo vidro, a irradiação que chega a célula fotovoltaica, potência elétrica gerada e calor extraído pelo fluido de trabalho. Outras variáveis da Figura 3 são encontradas na lista de abreviaturas desse trabalho.
Figura 3 - Modelagem por resistências térmicas do módulo fotovoltaico estudado.
Fonte: Autor.
O tanque de armazenamento tem por objetivo acumular o calor que é extraído do módulo fotovoltaico. O tanque está conectado em um sistema de bombeamento hidráulico que efetua a circulação forçada da água no trocador de calor. O formato do tanque de armazenamento também apresenta significância nos resultados esperados, para esse componente optou-se pelo formato cúbico, visando facilidade na modelagem térmica das camadas. Temos o seu representativo de resistências térmicas envolvidas na Figura 4.
Figura 4 - Modelagem por resistências térmicas do tanque de armazenamento.
Fonte: Autor.
Ainda com intuito de aumentar a precisão dos cálculos voltados à parte térmica e também visualizar melhor o comportamento da temperatura ao longo das camadas do sistema, pretende-se, através da equação da difusão de calor simplificada (Equação 5), estabelecer uma modelagem unidimensional, em regime transiente, da condução de calor entre os materiais que compõem o painel, levando em consideração a geração de energia positiva ou negativa em camadas específicas do
módulo. Os parâmetros
̇
são, respectivamente, derivada segunda da temperatura em função da distância; energia gerada na camada, podendo assumir valores negativos ou positivos caso algum fator externo tenha ação sobre a camada;
massa específica da camada ou substância; derivada primeira da temperatura em função da distância; calor específico da camada.
̇
(5)
Essa modelagem trabalha, através de uma análise transiente por diferenças finitas, com a determinação de nós internos e externos no sistema e definição do perfil de distribuição de temperaturas ao longo do módulo (Figura 5). Os parâmetros
e são, respectivamente, a distância entre nós;
transferência de calor por irradiação, transferência de calor por convecção e transferência de calor por condução.
Figura 5 – Representação da transferência de calor entre nós internos e externos de uma camada genérica.
Fonte: Autor.
A transferência de calor unidimensional transiente em nós internos e externos de uma camada de material pode ser observada através das Equações 6 e 7, respectivamente [21]. Os parâmetros ̇ e são,
respectivamente, temperatura no nó lateral esquerdo do sistema; temperatura no nó avaliado; temperatura no nó lateral direito do sistema; energia gerada na camada durante passo de tempo atual; temperatura no nó avaliado durante próximo passo de tempo; difusividade térmica da camada; coeficiente de Fourier; passo de tempo da simulação; temperatura no nó avaliado durante passo de tempo atual.
̇
(6)
̇ (7)
Um parâmetro crucial, encontrado na Equação 7, que caracteriza a condução de calor e serve para determinação do passo de tempo máximo utilizado na análise é o Número de Fourier, que consiste na razão entre a taxa de condução de calor e a taxa de armazenamento de energia térmica (Equação 8).
(8) Em nós externos submetidos a radiação e/ou convecção, alguns critérios de convergência de malha devem ser respeitados expressos nas Equações 9 e 10 [22], justamente com o intuito de garantir uma obtenção concreta dos resultados.
(9)
(10)
A maior parte das resistências são modeladas conforme equações 2, 3 e 4.
Entretanto algumas apresentam peculiaridades que serão trabalhadas no decorrer do texto. O cálculo do coeficiente de transferência de calor por irradiação, referente à resistência térmica , pode ser encontrado conforme Equação 11 [22]. Os parâmetros e são, respectivamente, emissividade da camada; constante de stefan-boltzmann e temperatura da superfície avaliada.
(11)
A atmosfera não tem uma temperatura uniforme, ou seja, ela irradia seletivamente em certos comprimentos de onda [23]. Desse modo, o coeficiente de transferência
de calor por irradiação ( ) referente à acaba dependendo também da temperatura do céu , conforme Equação 12 e Equação 13.
(12)
(13)
O ar ambiente circulante em torno do módulo intensifica o processo de resfriamento.
Desse modo, os coeficientes de transferência de calor por convecção entre o vidro e ar ambiente, como também entre isolante e ar ambiente são determinados pela Equação 14 [23]. Posteriormente, encontra-se através da Equação 3, respectivamente, os valores referentes à e . Os parâmetros e são, respectivamente a velocidade do vento e o comprimento do módulo na direção do vento.
(14)
O menor valor de coeficiente de transferência de calor por convecção possível de ser adotado em projeto é de 5 W/m²K conforme [23]. Tendo em vista que a camada de ar existente entre o vidro e o EVA (Figura 2) encontra-se desprovida de efeitos do vento, considerou-se esse valor de coeficiente convectivo para cálculo de . Considerando que a chapa junto com os tubos aumenta ou diminui sua temperatura ao longo do tempo de maneira igualitária, nas proximidades do trocador de calor optou-se por modelar a camada 2 pertencente a Figura 6.a através de resistências em paralelo, sendo uma referente a transferência de calor pelo poliestireno e outra pelas paredes dos tubos do trocador . Nas camadas 1 e 3 considerou-se resistências de condução normalmente em série segundo as propriedades dos materiais que as compõem (Figura 6.b).
Figura 6.a - Divisão geométrica das camadas nas proximidades do trocador de calor.
Fonte: Autor.
Figura 6.b – Resistências térmicas das camadas próximas ao trocador de calor.
Fonte: Autor.
Certa parte da irradiação na superfície consegue transpassar o vidro enquanto outra parte fica retida, essas quantidades de calor são consideradas durante a modelagem por resistências térmicas e também na equação da difusão de calor através das parcelas de geração de energia. O cálculo da quantidade de calor absorvida e transpassada pelo vidro podem ser determinadas conforme Equações 15 e 16 [23], respectivamente. O parâmetro e são, respectivamente, irradiação solar que chaga ao painel e transmissividade do vidro.
(15)
(16)
Para compor o trocador de calor de feixes de tubos escolhido, buscou-se analisar materiais com alta condutividade térmica. O equacionamento para o cálculo da quantidade de calor absorvida pelo fluido ao passar pelo trocador de calor encontra- se a seguir [22]. Uma grandeza bastante utilizada para a determinação do coeficiente de transferência de calor por convecção é o número de Nusselt ( . Seu valor depende do número de Reynolds (Equação 17), ou seja, do tipo de escoamento circulante nos tubos do trocador de calor. Em caso de escoamento laminar e com velocidade constante, o número de Nusselt apresenta valor constante equivalente a 4.36 [22]. Para escoamento turbulento utiliza-se a Equação 18. O coeficiente convectivo de transferência de calor pode ser encontrado posteriormente usando a Equação 19, enquanto que a quantidade de calor fornecida ao fluido é dada pela Equação 20. Os parâmetros e são, respectivamente, diâmetro interno da tubulação; velocidade de escoamento do fluido
de trabalho; viscosidade do fluido de trabalho; número de Prandtl; condutividade térmica da água e temperatura do fluído de trabalho.
(17)
(18)
(19)
(20) 3.2 SISTEMA DE MISTURA DE ÁGUA PARA CONFORTO TÉRMICO
Visando conforto térmico no banho e qualidade de vida para o cliente, propõe-se um sistema que sempre proporcione água em condições ideais para banho conforme [5]. Desse modo, a vazão de água que é transmitida para o sistema de mistura varia de acordo com a temperatura da água existente no tanque de armazenamento, sendo assim, a mistura sempre estaria garantida com a temperatura ideal para banho (Figura 7).
Figura 7 - Representação acerca do sistema de mistura proposto no trabalho.
Fonte: Autor.
As parcelas energéticas provenientes de cada local do sistema (Tanque de Armazenamento e Rede Pública) podem ser quantificadas através da Equação Fundamental da Calorimetria [21]. Portanto, a modelagem do sistema de mistura foi efetuado com base no balanço de massa proposto na Equação 21 e no balanço energético definido na Equação 22. Onde, os índices 1, 2 e 3 estão relacionados
com os termos da Figura 7 e, correspondem respectivamente, água proveniente do tanque de armazenamento, água da rede pública e água da mistura.
̇ ̇ ̇ (21)
̇ ̇ ̇ (22)
3.3 MODELAGEM ELÉTRICA DO PV/T
A potência fotovoltaica depende da irradiação solar e da temperatura de funcionamento da célula, conforme Equação 23 [24]. O coeficiente de temperatura para potência ( apresenta sempre valor negativo, ou seja, quanto maior a temperatura do módulo menor a potência elétrica gerada. Os parâmetros e são, respectivamente, potência máxima de operação do módulo conforme fabricante; valor de irradiação de 1000 W/m², usualmente utilizado para a Standard Test Conditions (STC - Condições de Teste Padrão); irradiação solar que chega ao módulo; temperatura da célula fotovoltaica.
(23)
4 METODOLOGIA DE DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA
Com intuito de definir tamanho e quantidade de componentes no sistema necessários para suprir determinada demanda térmica e elétrica de uma unidade consumidora, a metodologia proposta neste trabalho propõe um procedimento de cálculos para determinar simultaneamente a quantidade necessária de módulos PV/Ts, módulos PV e o volume do tanque de armazenamento de água quente, utilizando como base as normas [5] e [25]. Dessa maneira, será possível mesclar um sistema composto de módulos fotovoltaicos tradicionais e módulos fotovoltaicos híbridos, ou seja, caso a demanda elétrica seja maior, não necessariamente todos os painéis fotovoltaicos serão do tipo híbrido.
Avaliando inicialmente apenas a demanda elétrica, identifica-se a quantidade de módulos fotovoltaicos necessária para atender a residência. Este processo é obtido seguindo o passo a passo existente entre as seções 4.1 e 4.4 deste documento.
Posteriormente, contabiliza-se o volume do tanque de armazenamento e a área de captação de energia solar necessários, seguindo as etapas descritas nas seções 4.5 e 4.6, respectivamente. Para melhor entendimento da metodologia proposta, visualiza-se através da Figura 8, o passo a passo necessário para dimensionamento do sistema PV/T.
Figura 8 – Metodologia de Dimensionamento Proposta.
Fonte: Autor.
4.1 LEVANTAMENTO DO RECURSO SOLAR DISPONÍVEL
Para dimensionar qualquer sistema de geração cuja fonte de energia é a radiação solar, faz-se necessário ter uma série histórica de dados confiável de radiação solar (fonte de energia), além de variáveis que influenciam significativamente no desempenho do sistema, como temperatura e velocidade do vento. Dessa forma, para a modelagem do sistema PV/T foram utilizados séries históricas dessas três variáveis provenientes do sitio eletrônico do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) [26], cujos dados são integralizados de 1 em 1 hora e preservam as características horosazonais de geração térmica e elétrica. De posse dessas informações, posteriormente calculou-se o HSP (Horas de Sol Pleno) diário de radiação solar, visto que o sistema PV/T está conectado à rede e pode importar e exportar energia elétrica da rede pública, ou seja, apenas a geração diária média do ano faz-se necessária para o dimensionamento da parte elétrica do sistema, conforme será apresentado na Seção 4.4.
4.2 DEFINIÇÃO DA LOCALIZAÇÃO E CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA
Além do recurso solar na região de estudo, o posicionamento e a inclinação dos módulos também influenciam na captação de energia. No hemisfério sul, os módulos devem ser instalados na direção mais próxima possível do norte (azimute zero) e com a inclinação ideal para a latitude do local. Caso a base de dados de irradiação obtida na Etapa 4.1 não seja próxima da orientação e inclinação real do módulo, a série histórica de radiação deve ser corrigida para o posicionamento real dos painéis. Além disso, os dados de azimute e inclinação também serão necessários para o dimensionamento da parte térmica do sistema PV/T.
4.3 LEVANTAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA DA UNIDADE CONSUMIDORA
A utilização de uma base de dados de, no mínimo, 12 meses de consumo de energia elétrica ( ) é essencial para o dimensionamento do sistema devido ao consumo sazonal das edificações residenciais ao longo do ano. Esse histórico de consumo mensal de energia dos últimos 12 meses pode ser obtido através da fatura de energia da unidade. Além disso, para os membros do grupo B
(baixa tensão), que são caracterizados por serem unidades consumidoras atendidas em tensão inferior a 2,3 kV, é recomendado descontar o custo de disponibilidade (“taxa mínima”) ( ), cujos valores são definidos pela resolução normativa ANEEL 1000/2021 [27], conforme descrito abaixo:
Cliente monofásico - 30 kWh
Cliente bifásico - 50 kWh.
Cliente trifásico - 100 kWh.
Por fim, tendo em vista que o sistema será capaz de disponibilizar água quente em diferentes condições climáticas, também se desconta a energia anual gasta com a utilização do chuveiro elétrico ( ) e demais equipamentos (caso haja). Logo, a energia elétrica que deve ser gerada diariamente pelo sistema é definida pela Equação 24.
(24)
Para o cálculo da energia elétrica anual consumida pelo chuveiro ( , deve-se saber o tempo médio de banho ), número médio de banhos por dia e a potência de operação, cujos dados podem ser obtidos na Pesquisa de Posse e Hábitos de Uso de Equipamentos Elétricos na Classe Residencial (Região Sudeste – 2019), desenvolvida pela entidade Eletrobrás [28]. A princípio, identifica-se o tempo médio de banho de cada tipo de moradia no qual se deseja avaliar, conforme a Tabela 1.
Tabela 1 – Tempo Médio de Duração do Banho – Região Sudeste
Fonte: Eletrobrás (2019).
Através das informações disponibilizadas na Tabela 1, para a especificação de até 5 minutos, adota-se 2,5 min como sendo a média dessa classe; para de 6 a 10 minutos, adota-se 8 min; para a de 11 a 20 minutos adota-se 15,5 min e para o termo superior a 20 minutos adota-se 25 min. De posse dessas informações, conforme exemplo abaixo, o cálculo do tempo médio de banho é realizado efetuando a média ponderada das porcentagens de cada classe de tempo de banho.
Em relação à potência nominal do chuveiro ( ), o ideal seria conhecer a potência do equipamento instalado na unidade consumidora. Caso não tenha esse dado, a Tabela 2 mostra que em todos os tipos de edificações residenciais da região Sudeste, a maioria dos chuveiros utilizados possuem potência menor do que 6000 W, sendo mais comum menor que 4500 W. Deste modo, supõe-se que em caso de não haver informação, adotar um chuveiro de 4500W é uma escolha adequada do ponto de vista estatístico.
Tabela 2 – Potência Máxima do Chuveiro no Domicílio – Região Sudeste
Fonte: Eletrobrás (2019).
Além disso, a quantidade de vezes no qual o chuveiro elétrico residencial é acionado ( ) para cada tipo de domicílio (classe social) é definido na Tabela 3.
Adotou-se o mais próximo número inteiro da média de vezes no qual o chuveiro é utilizado.
Tabela 3 – Quantidade de Vezes de Utilização do Chuveiro – Região Sudeste
Fonte: Eletrobrás (2019).
Tendo como base esses dados, calculou-se o gasto mensal energético com o uso do chuveiro elétrico para cada tipo de residência utilizando a Equação 25.
(25) Segundo [28], os moradores tendem a usar com maior frequência o chuveiro elétrico em horários específicos. Conforme Tabela 4 se verifica que 73,5% dos banhos na região sudeste são efetuados entre os horários de 06h00min até 08h00min e de 18h00min até 21h00min. Essas informações serão úteis para definir os horários de banho aplicados no estudo de cada residência.
Tabela 4 – Horários de Uso do Chuveiro – Região Sudeste.
Fonte: Eletrobrás (2019).
4.4 DIMENSIONAMENTO GERADOR FOTOVOLTAICO/TÉRMICO
O Performance Ratio (Taxa de Desempenho - TD) compreende-se como um parâmetro de desempenho do sistema fotovoltaico definido pela razão da energia elétrica gerada pela usina na saída do inversor, dividido pela energia elétrica que seria gerada na saída do módulo em laboratório, considerando as condições de STC. O valor do TD geralmente é menor que 1, pois um sistema real possui diversas perdas não consideradas nas condições de STC, como a temperatura de operação do módulo acima de 25 °C, perdas nos cabeamentos, no inversor, sujidade, entre outros fatores. Para o trabalho em questão, adotou-se o valor de TD como sendo 0,75, conforme [29]. Conhecendo esse parâmetro, encontra-se a potência necessária para suprir o consumo elétrico diário de uma residência ( ) através de sua relação com a energia elétrica necessária diariamente ( ) e Horas de Sol Produtivas (HSP) diárias, conforme Equação 26.
(26)
Por fim, tendo em vista a potência do modelo do módulo fotovoltaico escolhido e conhecendo sua potência máxima de operação ( , utiliza-se a Equação 27 para identificar a quantidade de painéis necessários ( ).
(27)
4.5 LEVANTAMENTO DO PERFIL DE CONSUMO DE ÁGUA QUENTE DA UNIDADE CONSUMIDORA.
Para calcular o volume de água quente consumida pela edificação ( ) utiliza- se a Equação 28, sendo que o tempo médio de banho e a quantidade de vezes no qual o chuveiro elétrico residencial é acionado podem ser obtidos na Seção 5.3. Já a vazão de água entregue ao cliente, , é equivalente a 9 L/minuto conforme média realizada entre as vazões máxima e mínima recomendadas por [5].
(28)
4.6 CÁLCULO DO VOLUME DO SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DO FLUIDO DE TRABALHO
O volume armazenado no tanque ( ) depende da temperatura desejada para o banho ( ), volume de consumo ( ), temperatura da água no tanque de armazenamento ( ) e temperatura ambiente ( ) (Equação 29).
(29)
Além disso, com base no volume necessário de água armazenada, consegue-se determinar a demanda energética para suprir a necessidade especificada ( ) utilizando a Equação 30. Os parâmetros e são, respectivamente, a massa específica e calor específico da água.
(30)
Parte da energia que chega ao PV/T é dissipada na forma de calor. Isso inclui os processos de transmissão de energia térmica do módulo para o trocador de calor e do trocador de calor ao tanque de armazenamento. Conforme descrito em [5]
considera-se que 15% da energia útil é perdida ( ). A área necessária para atender o volume de consumo proposto ( ) pode ser calculada conforme Equação 31 [5]. Os parâmetros e são, respectivamente, a produção média diária de energia específica; irradiação global média do mês ou época avaliada; fator de correção da inclinação.
( )
(31)
Um dos parâmetros fundamentais para atingir bom desempenho no sistema é a produção média diária de energia específica, calculada através da Equação 32 [5].
Este elemento depende de fatores ópticos e físicos das camadas do sistema. Para o painel fotovoltaico híbrido, calcula-se, através das propriedades térmicas das camadas, o coeficiente global de perdas térmicas para substituir o coeficiente de perdas do coletor e utiliza-se a transmissividade-absortância do vidro como sendo o coeficiente de ganho do coletor térmico.
(32)
Além disso, para obtenção de boa eficiência energética nos painéis solares a inclinação aparece como um fator crucial. Desse modo, um fator de correção para esse parâmetro (Equação 33) deve ser inserido na Equação 31, a fim de assegurar uma maior confiabilidade nos cálculos. Os parâmetros e são, a inclinação do módulo fotovoltaico em relação a horizontal; latitude do local de instalação; orientação do módulo em relação ao norte geográfico.
(33)
4.7 CÁLCULO DA QUANTIDADE PV/Ts NECESSÁRIOS
Compara-se a área do módulo escolhido ( ) com a área de captação solar necessária ( ) a fim de quantificar quantos PV/Ts devem ser utilizados na residência (Equação 34). O valor encontrado na Equação 34 deve ser arredondado para um número inteiro acima.
(34)
5 PREMISSAS DO ESTUDO DE CASO
Com base na metodologia de dimensionamento proposta acima, o presente estudo consiste em avaliar o desempenho de um sistema PV/T em uma aplicação residencial. No estudo realizado em [28], as edificações foram divididas em 6 estratos com base na classe social dos moradores, denominadas classes A, B1, B2, C1, C2 e D/E. Neste trabalho, foram utilizados como estudo de caso os dados provenientes dos estratos Classe A, B2 e C2, essas residências são, respectivamente, de alto, médio e baixo poder econômico. Deste modo, o consumo de energia elétrica de cada classe está resumido na Tabela 5.
Tabela 5 – Consumo mensal em kW.h de cada tipo de residência avaliada.
MÊS SET OUT NOV DEZ JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO
CLASSE A
(kW.h) 240,58 243,00 243,17 243,17 238,64 238,18 236,33 216,45 233,42 235 231,91 237,83
CLASSE
B2 (kW.h) 159,70 170,53 158,87 158,64 168,61 162,15 159,87 167,56 160,17 159,55 169,75 159,66
CLASSE
C2 (kW.h) 123,82 115,58 123,82 120,79 118,09 119,38 120,22 118,00 120,04 122,24 116,78 123,18
Fonte: Eletrobrás (2019).
O Brasil é um país de grande extensão territorial e regiões com diferentes climas.
Para este estudo de caso, foram utilizadas séries históricas de irradiação solar, velocidade do vento e temperatura ambiente do município de São Mateus-ES. Além disso, os dados meteorológicos foram estratificados em duas estações do ano mais extremas do ponto de vista do recurso solar, verão e inverno, cuja finalidade é verificar o desempenho do PV/T nas condições mais favoráveis e menos favoráveis de geração. Os valores médios de irradiação solar, velocidade do vento e temperatura ambientes utilizados na análise foram obtidos no site do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) [26] a partir da série histórica dos últimos dois anos desses dados (Tabela 6).
Tabela 6 – Condições de contorno para cada estação climática.
Horário Diário
Condições Climáticas Verão (São Mateus – ES)
Condições Climáticas Inverno (São Mateus – ES) Irradiação
Solar (W/m²)
Velocidade do Vento
(m/s)
Temperatura Ambiente (°C)
Irradiação Solar (W/m²)
Velocidade do Vento
(m/s)
Temperatura Ambiente (°C)
00:00:00 0,0 1,4 25,05 0,0 0,5 22,05
01:00:00 0,0 1,2 25,05 0,0 0,9 22,25
02:00:00 0,0 2,15 24,75 0,0 0,95 21,7
03:00:00 0,0 0,5 24,5 0,0 0,8 21,65
04:00:00 0,0 0,3 24,4 0,0 1,15 21,5
05:00:00 0,0 0,45 24,1 0,0 1,1 21,45
06:00:00 0,2 0,45 23,65 0,0 1,05 21,55
07:00:00 40,8 0,55 23,35 0,0 0,95 21,25
08:00:00 191,3 0,55 23,15 33,6 1,05 21,3
09:00:00 373,7 0,9 24,3 115,4 1,25 20,95
10:00:00 482,8 1,45 25,2 269,6 1 21,6
11:00:00 644,8 2,75 26,9 428,9 1,75 22,35
12:00:00 976,1 2,55 28,65 602,3 1,4 24,05
13:00:00 830,2 3,4 31 753,7 1,1 25,85
14:00:00 760,0 4,15 29,75 678,0 1,1 26,6
15:00:00 621,5 3,55 30,5 568,9 1,75 27,3
16:00:00 410,4 3,4 31,1 407,4 2,45 27,8
17:00:00 390,5 4,25 29,85 162,4 3,4 27,85
18:00:00 93,0 5 29,45 27,8 3,15 27,6
19:00:00 31,0 4,25 28,15 0,8 3,15 26,35
20:00:00 0,3 2,85 27,55 0,0 1,7 24,85
21:00:00 0,0 3,2 26,5 0,0 1,2 23,55
22:00:00 0,0 2,2 26,25 0,0 0,85 22,75
23:00:00 0,0 2,45 25,95 0,0 0,4 22,05
Fonte: Instituto Nacional de Meteorologia (INMET).
Quanto ao funcionamento do PV/T, a água é posta a circular entre o módulo e o boiler com auxílio de uma bomba hidráulica operando entre às 08hr00min e 17hr00min, momentos no qual a temperatura do trocador de calor usualmente é maior do que a do fluido. Além disso, optou-se pelo uso de um trocador de calor com seis tubos de alumínio e com configuração de fluxo direto, justamente por ser uma geometria comum no mercado dos coletores, com baixo custo de fabricação e boa eficiência. Seguindo a metodologia proposta na seção 4.3, na Tabela 7 se encontram os valores considerados como: potência do chuveiro, quantidade de banhos diário, tempo médio de cada banho e consumo médio de energia elétrica mensal do chuveiro para cada tipo de residência.
Tabela 7 – Cálculo do consumo médio de energia elétrica mensal do chuveiro.
PARÂMETRO CLASSE A CLASSE B2 CLASSE C2
Potência Chuveiro (W) 4500 4500 4500
Quantidade de banhos diária 4 4 4
Tempo Médio de Banho (min) 8,92 8,73 7,51
Consumo Médio Energia Elétrica Mensal (Chuveiro) (kW.h) 80,28 78,57 67,59 Fonte: Autor.
Os banhos diários efetuados por cada residência estudada seguem os horários de maior percentual disponibilizados na Tabela 4. Na Tabela 8 encontram-se esses horários.
Tabela 8 – Horários de banho definidos para cada tipo de residência avaliado.
Horário dos Banhos
CLASSES A B2 C2
1° BANHO 06:00 06:00 06:00
2° BANHO 07:00 07:00 07:00
3° BANHO 20:00 20:00 19:00
4º BANHO 21:00 21:00 20:00
Fonte: Autor.
Em todos os estudos de caso propostos, os parâmetros do sistema PV/T utilizados estão descritos na Tabela 9.
Tabela 9 – Parâmetros físicos, térmicos, ópticos e elétricos definidos para o estudo.
Parâmetros Fixos
Descrição do Módulo Fotovoltaico SUPER HIGH POWER MONO PERC MODULE CS3W- 455MS
Potência do Módulo Fotovoltaico (Wp) 455
Comprimento do Módulo Fotovoltaico (m) 2,108
Largura do Módulo Fotovoltaico (m) 1,048
Performance Ratio 0,75
Massa Específica da Água (kg/m³) 998
Calor Específico da Água (J/kg.°C) 4,18
Orientação Geográfica do Módulo Fotovoltaico - Norte (°) 0
Latitude do Local de Instalação (°) 18,7
Angulação Ótima do Módulo Fotovoltaico (°) 18,7
Inclinação do Módulo em Relação a Horizontal (°) 16
Fator de Correção para Inclinação 1,0008
Trasmissividade-absortância 0,71
Diâmetro Externo da Tubulação (m) 0,00751
Diâmetro Hidráulico (m) 0,00593
Temperatura Desejada no Tanque de Armazenamento (ºC) 50
Vazão Interna do Sistema (kg/s) 0,1
Fonte: Autor.
Um dos objetivos do estudo consiste em identificar separadamente a quantidade de módulos PVs tradicionais e PV/Ts necessários para atender concomitantemente as demandas de energia elétrica e térmica. O módulo fotovoltaico híbrido utilizado na simulação apresenta os parâmetros descritos na Tabela 10. Os valores de propriedades pertencentes as camadas do painel foram retirados do [30].
Tabela 10 – Parâmetros físicos e térmicos definidos para o estudo.
Massa de Vidro (kg) 7,8
Massa do Trocador de Calor (kg) 10,87
Massa de Isolante do Módulo (kg) 1,75
Massa de TEDLAR (kg) 0,13
Massa de EVA (kg) 1,57
Massa de Isopor no Tanque (kg) 3,85
Massa de Plástico do Tanque (kg) 2,65
Espessura da Célula Fotovoltaica(m) 0,0003
Espessura do Trocador de Calor(m) 0,00258
Espessura de Vidro Isolante do Módulo(m) 0,045
Espessura do EVA(m) 0,0018
Espessura de TEDLAR (m) 0,0003
Espessura de Isopor no Tanque (m) 0,05
Espessura de Plástico do Tanque (m) 0,001
Calor Específico do Vidro (J/kg.K) 800
Calor Específico do Alumínio (J/kg.K) 900 Calor Específico Isolante do Módulo (J/kg.K) 1170
Calor Específico do EVA (J/kg.K) 1000
Calor Específico do TEDLAR (J/kg.K) 710
Calor Específico do Isopor do Tanque (J/kg.K) 1170 Calor Específico do Plástico do Tanque (J/kg.K) 1050 Condutividade Térmica da Célula Fotovoltaica (W/m.K) 148
Condutividade Térmica do Alumínio (W/m.K) 209 Condutividade Térmica Isolante do Módulo (W/m.K) 0,4
Condutividade Térmica do EVA (W/m.K) 0,35
Condutividade Térmica do TEDLAR (W/m.K) 0,2 Condutividade Térmica Isopor do Tanque (W/m.K) 0,4 Condutividade Térmica do Plástico do Tanque (W/m.K) 0,12
Número de Reynolds Regime Laminar 2300
Número de Reynolds Regime Turbulento 4000
Número de Nusselt para Fluxo Laminar 4,36 Fonte: Autor.
