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Solarcooling Solarcooling Document Transcript

  • INTRODUÇÃO ÀS ENERGIAS RENOVÁVEISSolar cooling Autor – Wilson Braga JúniorEste trabalho pretende ser uma apresentação das tecnologias do uso de energia solar para a retiradade calor, seja em ambientes para manter o conforto térmico ou em dispositivos de refrigeração deprodutos. Essa tecnologia possui um aspecto interessante, pois a necessidade de se resfriar crescecom o aumento da radiação solar. Essa relação de complementariedade entre disponibilidadeenergética e necessidade faz com que essa aplicação seja um uso interessante da energia solar. Astécnicas atuais de refrigeração solar dividem-se basicamente entre captar a energia solar por painéisfotovoltaicos e através de painéis solares de aquecimento. O detalhamento dessas duas tecnologiasé apresentado a seguir.1. Captação por módulos fotovoltaicos- Nesses sistemas a energia de entrada no ciclo deresfriamento é na forma de trabalho de eixo. Nesse caso a energia solar é inicialmente captadaatravés de um módulo fotovoltaico e convertida em eletricidade. Essa energia aciona umcompressor, que por sua vez fornece energia mecânica a um ciclo de compressão de vapor, pararesfriamento de produtos ou ambientes.Esse tipo de sistema para retirada de calor é o mais utilizado atualmente, principalmente por ter acomodidade de ser acionado através de trabalho mecânico, que se consegue facilmente com ummotor elétrico. Na aplicação quando esses sistemas são ligados no inversor é possíveldisponibilizada pelo inversor desenvolver tanto o resfriamento através de geladeira, frigobar,câmaras de resfriamento e simultaneamente alimentar outras cargas como iluminação e outroseletrodomésticos. Dessa forma esse sistema tem a vantagem da flexibilidade promovido pelaenergia elétrica.O ciclo de refrigeração por compressão acionado nesses sistemas é ilustrado através da figura aseguir.
  • Como apresentado na figura o vapor de refrigerante entra no compressor onde tem sua pressão etemperatura aumentadas. Após essa etapa ele é deslocado para o condensador que tem a função deliberar a energia térmica para o meio exterior. O fluido, ao liberar energia, passa do estado de vaporsuperaquecido para líquido(condensação) e finalmente entra no dispositivo de expansão, onde temsua pressão reduzida, para novamente ingressar no evaporador e retirar calor do sistema. Emseguida ele retorna ao compressor finalizando-se assim o ciclo. Nesses sistemas o fluido que circulano ciclo é chamado fluido refrigerante. Inicialmente eram utilizados como refrigerante gases CloroFlúor Carbono (CFC’s), porém devido aos problemas ambientais essa substancia está sendosubstituída por outros tipos de gases. O National Institute of Standards (NIST)[1] dos EUA realizouuma pesquisa examinando mais de 800 fluidos industriais quanto ao potencial para uso comorefrigerante, sendo que 51 foram classificados como adequados, sendo a maioria hidrocarbonetos ehidrocarbonetos halogenados. Essa pesquisa demonstra a gama de possibilidades de aplicação dessatecnologia sendo que cada gás possui propriedades termodinâmicas diferentes e sua aplicaçãodepende das características da instalação.Para se ter uma ideia do rendimento global de sistemas de refrigeração citados neste trabalho serãodefinidos as eficiências médias dos sistemas de captação de energia solar e os rendimentos dossistemas de refrigeração. Em relação a tecnologia fotovoltaica, os 259 módulos certificados peloInmetro[2] possuem eficiência entre 6,9% e 16,7 com a média de 13,3%. A eficiência do ciclo derefrigeração é medido por uma variável chamada coeficiente de performance. Ela é calculada peloquociente de energia retirada do ambiente que se deseja pela quantidade de energia necessária paraseu funcionamento. Sistemas de resfriamento por compressão possuem coeficiente de performancebastante elevado quando comparado com outros ciclos. Esse valor teórico varia com astemperaturas de fusão e ebulição do refrigerante como apresentado na Figura 04, extraída do livroIndustrial Handbook Refrigeration[3]
  • 2. Captação por painéis solares- Nesses sistemas a energia solar é inicialmente captadadiretamente através de coletores solares, que são equipamentos projetados para aproveitar a energiatérmica da radiação solar. Para sistemas de aquecimento é possível também o uso concentraçãosolar através de espelhos ou lentes para aumentar ainda mais a temperatura do fluido, captando-seassim uma quantidade maior de energia. A energia que térmica que é transmitida para o fluido éutilizada como energia de entrada para o ciclo refrigeração ou estocada em um reservatório térmicopara ser utilizada em outro momento. Esse fluido aquecido também pode ser utilizado paraaquecimento, caso haja demanda no local. A figura abaixo ilustra essa aplicação.Em relação a eficiência dos coletores solares, foi pesquisado novamente no Inmetro[4] e os 201coletores solares planos certificado por esse órgão, possuem eficiência entre 39,1 e 77,4% com amédia de 57,7%. Nota-se que esse processo consegue converter grande parte da energia solar emenergia térmica, porém o resultado dessa conversão é um tipo de energia bem menos nobre que aeletricidade.Os ciclos de refrigeração acionados por calor podem ser divididos em 3 grandes grupos, deabsorção, adsorção e circuito aberto. Abaixo são apresentados cada um deles.2.1. Absorção - O resfriamento por absorção inicia-se, no evaporador onde há vapor derefrigerante de baixa pressão. Esse fluido é encaminhado ao absorvedor onde é absorvido por umfluido absorvedor. Após a absorção essa solução no é chamada de concentrada, pois contém grandequantidade de refrigerante misturada ao abservedor. Uma bomba eleva a pressão da soluçãoconcentrada e faz com que ela entre no gerador. No gerador, ocorre a adição de calor, que foi
  • captada através dos coletores solares. Essa troca térmica faz com que a solução se separe e orefrigerante é encaminhado para o condensador. A solução líquida, que agora tem baixaconcentração de refrigerante, retorna ao absorvedor pela válvula redutora de pressão. Nocondensador há passagem de água fria, que resfria o vapor e condensa o refrigerante. O refrigerantevai para o evaporador através de uma válvula de expansão. No evaporador ocorre a troca de calordo meio a ser refrigerado e o refrigerante que evaporará. O diagrama desse sistema de resfriamentoé apresentado abaixo.No ciclo de absorção a afinidade entre o fluido refrigerante e a solução é fundamental para seconseguir um elevado coeficiente de performance. Os fluidos mais utilizados são água-amônia(H2O-NH3) em que a amônia opera como refrigerante e a água como absorvedor. A amônia possuiponto de fusão em aproximadamente -77°, podendo ser utilizada em baixas temperaturas. Outracaracterística desse fluido é a volatilidade sendo necessário um retificador para separar a água daamônia, caso contrário o sistema terá seu desempenho reduzido.Outra importante dupla de absorção é a lítio-brometo e água (LiBr-H2O). Nesse caso a água éutilizada como refrigerante e o brometo como absorvedor. Esse sistema tem o problema deoperações com temperaturas abaixo de 0°C. Além disso nesse ciclo é necessário condições devácuo, e em altas concentrações a mistura tende a se tornar cristalina.Além desses existem várias outras tecnologias de par refrigerante e absorvedor em pesquisa, comoo R21 e o R22, e o DMF (dimetil formico) e DMTEG (dimetil éter de tetra-etileno glicol)Alguns exemplos práticos dessa tecnologia são:- Rosiek and Batlles [5] no estudo de um sistema de absorção utilizando LiBr com umsistema de 160m² de coletores solares planos e com uma capacidade de resfriamento de 40kW essesistema apresentou um coeficiente de performance de 0,6, com os fluidos amônia/água.- Rodríguez Hidalgo et al. [6] com uma área de painéis de 50m² com coletores planos comuma capacidade de resfriamento de 6-10kW alcançou um coeficiente de performance de 0,33,amônia/água.- Agyenim et al. [7] usou um sistema de tubos evacuados com uma área total de 12m² comuma capacidade de resfriamento de 6kW alcançou um coeficiente de performance de 0,58, com os
  • fluidos lítio-brometo/água.Deve-se observar que a ordem de grandeza dos coeficientes de performance desses sistemas deresfriamento é consideravelmente menor que os sistemas a compressão, o que compensa avantagem inicial do da maior eficiência dos coletores solares face aos módulos fotovoltaicos.Uma outra tecnologia presente na literatura é o resfriamento por absorção de duplo efeito. Odiagrama desse caso é apresentado na figura abaixo.A operação desse sistema é bastante similar ao primeiro, porém nesse caso o sistema possui doisgeradores e dois trocadores de calor que aquecem a mistura proveniente do absorvedor.Srikhirin et al. [8] desenvolveu uma comparação entre sistemas de efeito simples e duplo efeito,observando coeficientes de performance de 0,6 e 0,96 respectivamente.Outra aplicação presente na literatura sobre sistemas de absorção é baseada no uso do hidrogêniocomo gás auxiliar, com o uso dos fluidos água e amônia. Esse sistema é conhecido comorefrigeração por absorção e difusão. Esse caso é interessante porque o sistema circula naturalmente,não necessitando do uso de bomba como nos circuitos anteriores. Porém ele deve operar detemperaturas mais elevadas, normalmente acima de 150°C. Como os coletores solaresconvencionais não alcançam essa temperatura é necessário desenvolver um sistema de concentraçãoe uma tubulação específica para o aproveitamento dessa tecnologia com recurso solar. Em relaçãoao desempenho desse sistema Zohar et al[9] desenvolveu um estudo, com sistema água/amônia queapresenta um aumento de 14 a 20% no COP em relação ao sistema de circulação normal de simplesestágio.Segundo a Agência Internacional de Energia (IEA)[10] a tecnologia de absorção possui grandeaplicação em média e pequena escala sendo capaz de suprir praticamente qualquer carga derefrigeração. Atualmente várias empresas principalmente na Itália e na Áustria possuem modeloscomerciais. Os principais focos de desenvolvimento de pesquisa nessa área é a redução do cursoinicial de implementação dessa tecnologia, a redução do consumo elétrico de equipamentosauxiliares e a melhoria da rejeição de calor para o meio.2.2. Adsorção- O ciclo de resfriamento por adsorção é bem parecido com o de absorção porém aoinvés da sorção ser realizada por um fluido ela é feita por uma superfície sólida. Algumas dasvantagens dessa alteração é o sistema se comportar bem em uma faixa grande de temperaturas,
  • possui menos problemas com vibração, presentes em sistemas por absorção, além de possuírem umdesign mais simplificado. Dentre os materiais utilizados nesse processo estão; carvão ativo/metanol,carbono ativo/amônia, sililica gel/água. Esses sistemas são ainda classificados quanto ao tipo deinteração entre o meio físico e o fluido, podendo ser físico em que a interação entre as moléculas édevido somente as forças de van der Waals e processos em que ocorre reação química entre eles. Osprocessos químicos geralmente apresentam um COP mais elevado em relação aos físicos.Wang[11] demonstra estudos teóricos de ciclos de adsorção e apresenta Coeficientes dePerformance estimado para alguns tipos de sistemas. Com adsorvente de carbono ativo ocoeficiente de performance apresentado fica em torno de 0,6, enquanto sistemas de carbono ativo eamônia ficam com o valor médio de 0,38, e os de sílica gel/água em 0,4.Segundo a IEA[10] de energia os principais desenvolvimentos de pesquisa nos sistemas deadsorção tem sido relacionado a melhoria da transferência de calor e massa por múltiplosadsorvedores, além da redução dos custos da instalação.2.3. Ciclo dessecante- Esse sistema é aplicado no conforto térmico de ambientes. Inicialmente ofluxo de ar externo passa através do rotor dessecante através da adsorção. Parte do vapor de água éretido no material dessecante, fazendo com que o ar seja desumidificado e sua temperatura elevadadevido ao calor de adsorção. O fluxo de ar sai quente e quase seco e ao passar pelo rotor sensívelcederá calor para matriz sensível sendo resfriado passando em seguida pelo resfriador evaporativoonde será umidificado e novamente resfriado. Esse ar é utilizado para insuflar no ambiente. O ar doambiente é recolhido e passa por outro resfriador evaporativo e resfria o ar de retorno paraalimentar o rotor sensível, servindo como fonte de alimentação fria. Esse fluxo é novamenteaquecido através de uma fonte de calor externa (proveniente do aquecedor solar) com o intuito deregenerar o rotor dessecante. O fluxo de ar aquecido passará pelo rotor dessecante abrindo os porose arrastando o vapor de água na seção de dessorção. O ar quente e úmido resultante é expelido parao ambiente externo. A representação desse sistema é apresentada abaixo.Wang[12] desenvolveu simulações com vários pares de absorvedor e refrigerante chegando aoscoeficientes de performance de 0,67 para carbono ativo e amônia, 0,36 a 0,41 para CaCl2, Carbonoativado e amônia, 0,43 para hidreto de metal e hidrogênio e 0,9 para zeólito e água.
  • 4. Comparação geral dos sistemas- Uma comparação geral de dos coeficientes de performancedas tecnologias acionadas por calor é desenvolvida por Otanicar et al.[13] que extrapola essasvalores até o ano de 2030. Esse gráfico é apresentado a seguirO gráfico demonstra um leve aumento do coeficiente de performance nas tecnologias de absorçãoapresentadas, enquanto a adsorção e o ciclo dessecante apresentam um aumento significativo. Poressa projeção espera-se que, em 2030 ciclos de adsorção tenham coeficiente de performancepróximos do ciclo de absorção com amônia, enquanto o ciclo dessecante irá alcançar níveispróximos ao ciclos de refrigeração por compressão. Além dessa análise ele desenvolveu umaanálise de custos globais de sistemas de refrigeração simulando uma planta com uma potência deresfriamento de 18kW. O resultado é apresentado abaixo para sistemas de compressão.Nota-se que atualmente, para essa carga térmica, o custo de instalação desse sistema deresfriamento com módulos fotovoltaicos gira em torno de $37.000 para sistemas com coeficiente deperformance igual a 6. Para sistemas menos eficientes, com coeficiente de performance de 3 ocoeficiente o custo chega em torno de $59.000 Essa mudança é relacionada principalmente com ocusto dos módulos fotovoltaicos que representa grande parte do investimento atualmente. Dessaforma sistemas menos eficientes precisam de mais geradores, aumentando o custo total doempreendimento. Espera-se que a esses custos tenham uma grande queda até 2030, fazendo comque essa diferença seja consideravelmente reduzida.
  • As tecnologias envolvendo painéis solares térmicos também foram verificadas quanto ao custo deinstalação. A tecnologia de lítio-brometo apresentam uma faixa de custos de $44.000 a $78.000enquanto sistemas com absorção por amônia vão de $48.000 a $74.000 atualmente. Com os dadosapresentados pode-se dizer que atualmente os sistemas de refrigeração solar por compressãopossuem custos equivalente aos por absorção. Deve-se notar que o autor não inseriu custos demanutenção no sistema e troca de equipamentos, fato que pode elevar consideravelmente nossistemas fotovoltaicos devido a renovação do banco de baterias. Sistemas de adsorção para essaaplicação possuem o custo consideravelmente mais elevado, de $84.000 a $119.000 porém comuma queda acentuada ao longo do tempo devido principalmente a pesquisa relacionadas aomecanismo de adsorção. Os sistemas dessecantes permanecem praticamente na mesma faixa devalores que os sistemas de resfriamento por absorção.Diante desses valores conclui-se que atualmente as tecnologias, na aplicação citada, estão nomesmo patamar de competitividade, exceto a adsorção que apresentou custos bem maiores que asdemais. No futuro com a projeção de redução de preço para os módulos fotovoltaicos espera-se queo custo de instalação dessa tecnologia se torne mais competitiva que as demais.5. Tecnologia no Brasil e no mundo- De acordo com a IEA[14] em 2011, no mundo, cerca de 750sistemas de refrigeração solares foram instalados, incluindo instalações de pequena capacidade(<20 kW). Recentemente uma série de grandes instalações foram concluídas ou estão emconstrução. Exemplos são o sistema o banco CGD, em Lisboa, Portugal com uma capacidade derefrigeração de 400 kW e uma área de coletores de 1.560m ², um sistema instalado no United WorldCollege, em Cingapura, concluída em 2011, com uma capacidade de refrigeração de 1.470 kW euma área de coletores solares de 3.900m ².O número maior de instalações de grande porte é justificado por terem um custo menor, devido àseconomias de escala e demanda e as limitações de equipamentos com capacidades menores. Poréminstalações de pequeno porte e sistemas de refrigeração para aplicação residencial tem aumentadoconsideravelmente nos últimos tempos, especialmente em Espanha.Foi realizado uma projeção de uso da energia solar para resfriamento e condicionamento de ar emambientes também pela IEA e o resultado é mostrado no gráfico a seguir.
  • Segundo a projeção desenvolvida espera-se que o uso dessa tecnologia aumente em proporçõesbastante elevadas, principalmente na china, américa e oriente médio e países da OECD da américa.Pela projeção demonstrada, espera-se um crescimento aproximadamente de 13PJ/ano no mundo até2025 e a partir de 2030 esse crescimento sobe para 70PJ/ano. O comportamento do gráfico é similara queda esperada no preço dos sistemas por compressão devido principalmente ao custo do módulofotovoltaico, como apresentado anteriormente. As fontes discordam somente quanto ao ano dessamudança sendo que Otanicar prevê para 2020 enquanto a IEA para 2030.Em relação as quantidades instaladas atualmente de sistemas de resfriamento e condicionamento dear via energia solar Sparber[15] estima em seus estudos a potência dos sistemas de refrigeração nomundo por tecnologia. O gráfico a seguir demonstra esse estudo.Nota-se que o país mais desenvolvido nessa aplicação é a Espanha, seguido da Alemanha e daGrécia. Outra observação interessante é que a grande maioria dos sistemas atualmente em operaçãosão sistemas de absorção, seguidos de adsorção.No Brasil essa tecnologia ainda não é utilizada, há somente algumas aplicações pontuais empequena escala. O desenvolvimento desse sistemas possui grande importância no Brasil, por setratar de um país com clima tropical, dependendo consideravelmente de equipamentos decondicionamento de ar. Nota-se que algumas empresas brasileiras comercializam sistemas derefrigeração convencionais com acionamento por painéis fotovoltaicos. Um exemplo disso é aempresa Tecnometal[16], que disponibiliza kits de resfriamento solar completos, com freezers dealta eficiência, tipo frigobar, acionado por módulos fotovoltaicos e bancos de bateria.
  • Outra empresa que oferece o mesmo tipo de solução é a Solar Brasil[17] que apresenta no seu sitetrês opções de kit de resfriamento: A primeira com 3 módulos de 140Wp para acionar um freezer de150L, um frigobar de 120L ou uma geladeira de 240L. A segunda opção com 5 módulos de 140Wpacionando um freezer de 260L ou uma geladeira de 350. E a última com 7 módulos de 140Wpacionando uma geladeira de 420L. Em todos os kits não há fornecimento de baterias e não éprestado o serviço de montagem do sistema.Essas opções personalizadas oferecem o sistema em DC já dimensionado para a carga que se o tipode refrigerador que se deseja. Em localidades isoladas onde se deseja acionar outras cargas aaplicação do resfriamento solar é geralmente conectada em AC juntamente com as outras cargas noinversor. A maioria das aplicações comerciais segue esse padrão.Uma aplicação de sorção no país foi encontrada em um local chamado pousada do parque,localizado na Chapada dos Guimarães. Desenvolvido junto com empresas alemãs o sistema contacom 20m² de coletores solares planos com uma capacidade de resfriamento de 12kW. Esse sistemaé recente, sendo instalado em 2012. O resfriamento do ambiente se dá pela circulação de água friapor tubos dentro das paredes.Em relação à pesquisa, existe um laboratório ligado a Universidade da Paraíba especializado nessaárea chamado LES-Laboratório de Energia Solar. Esse laboratório se dedica a esse ramo depesquisa, principalmente com sistemas de adsorção e chegou até a desenvolver uma máquina degelo como protótipo. Essa máquina tem capacidade de geração de 10kg por dia, com uma área de1m² de um coletor solar com concentração parabólica. Nesse modelo foi utilizado como adsorventecarvão ativado e como refrigerante Metanol.Além dessa máquina de gelo outra trabalho relevante é apresentado por Gurgel et al. [18], professordesse mesmo laboratório. Nesse caso é feito a análise de um sistema de com o objetivo deresfriamento de água. Esse trabalho apresenta algumas inovações em relação a arquitetura do reatore conseguiu-se com simulações valores de coeficiente de performance 40% maior que o sistema deadsorção convencional.6. Conclusões- O presente trabalho demonstra as tecnologias e as capacidades de conversão atuaisde cada uma delas. A refrigeração por absorção é a que possui maior capacidade instalada nomundo, e as tecnologias de adsorção e dessecante possuem grande potencial de desenvolvimento.O tema resfriamento com o uso de energia solar, tem sua importância revelada quando éapresentado a projeção de instalações previsto pela IEA, com um crescimento absurdamenteelevado. Esse crescimento associado a queda do custo de instalação demonstram uma abertura demercado considerável para essa tecnologia. Além desse cenário favorável, a questão ambientaltambém é outra peça fundamental nesse tema, pois reduz a necessidade de novas unidades degeração com a utilização de combustíveis convencionais baseados em hidrocarbonetos,representando tanto um ganho ambiental como financeiro.
  • REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1] NITS (Org.). Disponível em: http://www.sarm.am/en/activity/labaratoria[2]INMETRO (Org.). Programa Brasileiro de Etiquetagem de Água: Componentes Fotovoltaicos - Módulos.Disponível em: <www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe/modulos.pdf>. Acesso em: 02 maio 2013.[3]STOECKER, W.F. Industrial Refrigeration Handbook. 686 p.[4]INMETRO (Org.). Sistemas e Equipamentos para Aquecimento Solar de Água: Aquecedores Solares. Disponívelem:<http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbe/coletoresSolares.pdf>. Acesso em: 02 maio 2013.[5]Rosiek S, Batlles F. Integration of the solar thermal energy in the construction: analysis of the solar-assisted air-conditioning system installed in CIESOL building. Renewable Energy 2009;34:1423–31.[6]Hidalgo M, Aumente PR, Millán MI, Neumann AL, Mangual RS. Energy and carbon emission savings in Spanishhousing air-conditioning using solar driven absorption system. Applied Thermal Engineering 2008;28:1734–44.[7] Agyenim F, Knight I, Rhodes M. Design and experimental testing of the performance of an outdoor LiBr/H2O solarthermal absorption coolingsystem with a cold store. Solar Energy. P. 735-744. 2010.[8] Srikhirin P, Aphornratana S, Chungpaibulpatana S. A review of absorption refrigeration technologies. Renewableand Sustainable Energy Reviews. p.343-352. 2001.[9]Zohar A, Jelinek M, Levy A, Borde I. The influence of diffusion absorption refrigeration cycle configuration on theperformance. Applied Thermal Engineering. p.2213-2222. 2007.[10][11]INTERNACIOAL ENERGY AGENCY. Solar Air-Conditioning and Refrigeration. 2010.[12]WANG, L. W. et al. A review on adsorption working pairs for refrigeration. Renewable & Sustainable EnergyReviews, Shangai, n. p.519-54, 18 dez. 2007.[13]OTANICAR, Todd. Prospects for solar cooling: An economic and environmental assessment. Solar Energy, n. 86,p.1277-1299, 20 ago. 2011.[14]INTERNACIOAL ENERGY AGENCY. Rechnology Roadmap: Solar Heating and Cooling. Paris: Iea, 2012.[15]SPARBER, W. et al. Overview on World Wide Installed Solar Cooling Systems. International Conference SolarAir Conditioning. CONFERENCE SOLAR AIR CONDITIONING. Terragona. 2007.[16]TECNOMETAL. Sistemas de Refrigeração. Disponível em:<http://www.tecnometalenergiasolar.com.br/produtos/sistema-refrigeracao>. Acesso em: 02 maio 2013.[17]SOLARBRASIL. Freezers. Disponível em: <http://www.solarbrasil.com.br/freezeres.htm>. Acesso em: 02 maio2013.[18]GURGEL, José Maurício, et al. Sistema de Refrigeração Absortivo com a Utilização de um Coletor Solar comAnteparo Ótico. Paraíba, 2005. 9 p.