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INTRODUÇÃO ÀS ENERGIAS RENOVÁVEIS
Solar cooling Autor – Wilson Braga Júnior
Este trabalho pretende ser uma apresentação das tecnologias do uso de energia solar para a retirada
de calor, seja em ambientes para manter o conforto térmico ou em dispositivos de refrigeração de
produtos. Essa tecnologia possui um aspecto interessante, pois a necessidade de se resfriar cresce
com o aumento da radiação solar. Essa relação de complementariedade entre disponibilidade
energética e necessidade faz com que essa aplicação seja um uso interessante da energia solar. As
técnicas atuais de refrigeração solar dividem-se basicamente entre captar a energia solar por painéis
fotovoltaicos e através de painéis solares de aquecimento. O detalhamento dessas duas tecnologias
é apresentado a seguir.
1. Captação por módulos fotovoltaicos- Nesses sistemas a energia de entrada no ciclo de
resfriamento é na forma de trabalho de eixo. Nesse caso a energia solar é inicialmente captada
através de um módulo fotovoltaico e convertida em eletricidade. Essa energia aciona um
compressor, que por sua vez fornece energia mecânica a um ciclo de compressão de vapor, para
resfriamento de produtos ou ambientes.
Esse tipo de sistema para retirada de calor é o mais utilizado atualmente, principalmente por ter a
comodidade de ser acionado através de trabalho mecânico, que se consegue facilmente com um
motor elétrico. Na aplicação quando esses sistemas são ligados no inversor é possível
disponibilizada pelo inversor desenvolver tanto o resfriamento através de geladeira, frigobar,
câmaras de resfriamento e simultaneamente alimentar outras cargas como iluminação e outros
eletrodomésticos. Dessa forma esse sistema tem a vantagem da flexibilidade promovido pela
energia elétrica.
O ciclo de refrigeração por compressão acionado nesses sistemas é ilustrado através da figura a
seguir.
Como apresentado na figura o vapor de refrigerante entra no compressor onde tem sua pressão e
temperatura aumentadas. Após essa etapa ele é deslocado para o condensador que tem a função de
liberar a energia térmica para o meio exterior. O fluido, ao liberar energia, passa do estado de vapor
superaquecido para líquido(condensação) e finalmente entra no dispositivo de expansão, onde tem
sua pressão reduzida, para novamente ingressar no evaporador e retirar calor do sistema. Em
seguida ele retorna ao compressor finalizando-se assim o ciclo. Nesses sistemas o fluido que circula
no ciclo é chamado fluido refrigerante. Inicialmente eram utilizados como refrigerante gases Cloro
Flúor Carbono (CFC’s), porém devido aos problemas ambientais essa substancia está sendo
substituída por outros tipos de gases. O National Institute of Standards (NIST)[1] dos EUA realizou
uma pesquisa examinando mais de 800 fluidos industriais quanto ao potencial para uso como
refrigerante, sendo que 51 foram classificados como adequados, sendo a maioria hidrocarbonetos e
hidrocarbonetos halogenados. Essa pesquisa demonstra a gama de possibilidades de aplicação dessa
tecnologia sendo que cada gás possui propriedades termodinâmicas diferentes e sua aplicação
depende das características da instalação.
Para se ter uma ideia do rendimento global de sistemas de refrigeração citados neste trabalho serão
definidos as eficiências médias dos sistemas de captação de energia solar e os rendimentos dos
sistemas de refrigeração. Em relação a tecnologia fotovoltaica, os 259 módulos certificados pelo
Inmetro[2] possuem eficiência entre 6,9% e 16,7 com a média de 13,3%. A eficiência do ciclo de
refrigeração é medido por uma variável chamada coeficiente de performance. Ela é calculada pelo
quociente de energia retirada do ambiente que se deseja pela quantidade de energia necessária para
seu funcionamento. Sistemas de resfriamento por compressão possuem coeficiente de performance
bastante elevado quando comparado com outros ciclos. Esse valor teórico varia com as
temperaturas de fusão e ebulição do refrigerante como apresentado na Figura 04, extraída do livro
Industrial Handbook Refrigeration[3]
2. Captação por painéis solares- Nesses sistemas a energia solar é inicialmente captada
diretamente através de coletores solares, que são equipamentos projetados para aproveitar a energia
térmica da radiação solar. Para sistemas de aquecimento é possível também o uso concentração
solar através de espelhos ou lentes para aumentar ainda mais a temperatura do fluido, captando-se
assim uma quantidade maior de energia. A energia que térmica que é transmitida para o fluido é
utilizada como energia de entrada para o ciclo refrigeração ou estocada em um reservatório térmico
para ser utilizada em outro momento. Esse fluido aquecido também pode ser utilizado para
aquecimento, 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 201
coletores solares planos certificado por esse órgão, possuem eficiência entre 39,1 e 77,4% com a
média de 57,7%. Nota-se que esse processo consegue converter grande parte da energia solar em
energia térmica, porém o resultado dessa conversão é um tipo de energia bem menos nobre que a
eletricidade.
Os ciclos de refrigeração acionados por calor podem ser divididos em 3 grandes grupos, de
absorção, adsorção e circuito aberto. Abaixo são apresentados cada um deles.
2.1. Absorção - O resfriamento por absorção inicia-se, no evaporador onde há vapor de
refrigerante de baixa pressão. Esse fluido é encaminhado ao absorvedor onde é absorvido por um
fluido absorvedor. Após a absorção essa solução no é chamada de concentrada, pois contém grande
quantidade de refrigerante misturada ao abservedor. Uma bomba eleva a pressão da solução
concentrada 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 o
refrigerante é encaminhado para o condensador. A solução líquida, que agora tem baixa
concentração de refrigerante, retorna ao absorvedor pela válvula redutora de pressão. No
condensador há passagem de água fria, que resfria o vapor e condensa o refrigerante. O refrigerante
vai para o evaporador através de uma válvula de expansão. No evaporador ocorre a troca de calor
do meio a ser refrigerado e o refrigerante que evaporará. O diagrama desse sistema de resfriamento
é apresentado abaixo.
No ciclo de absorção a afinidade entre o fluido refrigerante e a solução é fundamental para se
conseguir 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 possui
ponto de fusão em aproximadamente -77°, podendo ser utilizada em baixas temperaturas. Outra
característica desse fluido é a volatilidade sendo necessário um retificador para separar a água da
amônia, 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 é
utilizada como refrigerante e o brometo como absorvedor. Esse sistema tem o problema de
operações com temperaturas abaixo de 0°C. Além disso nesse ciclo é necessário condições de
vácuo, e em altas concentrações a mistura tende a se tornar cristalina.
Além desses existem várias outras tecnologias de par refrigerante e absorvedor em pesquisa, como
o 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 um
sistema de 160m² de coletores solares planos e com uma capacidade de resfriamento de 40kW esse
sistema 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 com
uma 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 com
uma 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 de
resfriamento é consideravelmente menor que os sistemas a compressão, o que compensa a
vantagem 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. O
diagrama desse caso é apresentado na figura abaixo.
A operação desse sistema é bastante similar ao primeiro, porém nesse caso o sistema possui dois
geradores 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 hidrogênio
como gás auxiliar, com o uso dos fluidos água e amônia. Esse sistema é conhecido como
refrigeração 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 de
temperaturas mais elevadas, normalmente acima de 150°C. Como os coletores solares
convencionais não alcançam essa temperatura é necessário desenvolver um sistema de concentração
e uma tubulação específica para o aproveitamento dessa tecnologia com recurso solar. Em relação
ao desempenho desse sistema Zohar et al[9] desenvolveu um estudo, com sistema água/amônia que
apresenta um aumento de 14 a 20% no COP em relação ao sistema de circulação normal de simples
estágio.
Segundo a Agência Internacional de Energia (IEA)[10] a tecnologia de absorção possui grande
aplicação em média e pequena escala sendo capaz de suprir praticamente qualquer carga de
refrigeração. Atualmente várias empresas principalmente na Itália e na Áustria possuem modelos
comerciais. Os principais focos de desenvolvimento de pesquisa nessa área é a redução do curso
inicial de implementação dessa tecnologia, a redução do consumo elétrico de equipamentos
auxiliares 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 ao
invés da sorção ser realizada por um fluido ela é feita por uma superfície sólida. Algumas das
vantagens 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 um
design 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 de
interação entre o meio físico e o fluido, podendo ser físico em que a interação entre as moléculas é
devido somente as forças de van der Waals e processos em que ocorre reação química entre eles. Os
processos químicos geralmente apresentam um COP mais elevado em relação aos físicos.
Wang[11] demonstra estudos teóricos de ciclos de adsorção e apresenta Coeficientes de
Performance estimado para alguns tipos de sistemas. Com adsorvente de carbono ativo o
coeficiente de performance apresentado fica em torno de 0,6, enquanto sistemas de carbono ativo e
amônia 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 de
adsorção tem sido relacionado a melhoria da transferência de calor e massa por múltiplos
adsorvedores, além da redução dos custos da instalação.
2.3. Ciclo dessecante- Esse sistema é aplicado no conforto térmico de ambientes. Inicialmente o
fluxo de ar externo passa através do rotor dessecante através da adsorção. Parte do vapor de água é
retido no material dessecante, fazendo com que o ar seja desumidificado e sua temperatura elevada
devido ao calor de adsorção. O fluxo de ar sai quente e quase seco e ao passar pelo rotor sensível
cederá calor para matriz sensível sendo resfriado passando em seguida pelo resfriador evaporativo
onde será umidificado e novamente resfriado. Esse ar é utilizado para insuflar no ambiente. O ar do
ambiente é recolhido e passa por outro resfriador evaporativo e resfria o ar de retorno para
alimentar o rotor sensível, servindo como fonte de alimentação fria. Esse fluxo é novamente
aquecido através de uma fonte de calor externa (proveniente do aquecedor solar) com o intuito de
regenerar o rotor dessecante. O fluxo de ar aquecido passará pelo rotor dessecante abrindo os poros
e arrastando o vapor de água na seção de dessorção. O ar quente e úmido resultante é expelido para
o ambiente externo. A representação desse sistema é apresentada abaixo.
Wang[12] desenvolveu simulações com vários pares de absorvedor e refrigerante chegando aos
coeficientes de performance de 0,67 para carbono ativo e amônia, 0,36 a 0,41 para CaCl2, Carbono
ativado 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 performance
das tecnologias acionadas por calor é desenvolvida por Otanicar et al.[13] que extrapola essas
valores até o ano de 2030. Esse gráfico é apresentado a seguir
O gráfico demonstra um leve aumento do coeficiente de performance nas tecnologias de absorção
apresentadas, enquanto a adsorção e o ciclo dessecante apresentam um aumento significativo. Por
essa projeção espera-se que, em 2030 ciclos de adsorção tenham coeficiente de performance
próximos do ciclo de absorção com amônia, enquanto o ciclo dessecante irá alcançar níveis
próximos ao ciclos de refrigeração por compressão. Além dessa análise ele desenvolveu uma
análise de custos globais de sistemas de refrigeração simulando uma planta com uma potência de
resfriamento 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 de
resfriamento com módulos fotovoltaicos gira em torno de $37.000 para sistemas com coeficiente de
performance igual a 6. Para sistemas menos eficientes, com coeficiente de performance de 3 o
coeficiente o custo chega em torno de $59.000 Essa mudança é relacionada principalmente com o
custo dos módulos fotovoltaicos que representa grande parte do investimento atualmente. Dessa
forma sistemas menos eficientes precisam de mais geradores, aumentando o custo total do
empreendimento. Espera-se que a esses custos tenham uma grande queda até 2030, fazendo com
que essa diferença seja consideravelmente reduzida.
As tecnologias envolvendo painéis solares térmicos também foram verificadas quanto ao custo de
instalação. A tecnologia de lítio-brometo apresentam uma faixa de custos de $44.000 a $78.000
enquanto sistemas com absorção por amônia vão de $48.000 a $74.000 atualmente. Com os dados
apresentados pode-se dizer que atualmente os sistemas de refrigeração solar por compressão
possuem custos equivalente aos por absorção. Deve-se notar que o autor não inseriu custos de
manutenção no sistema e troca de equipamentos, fato que pode elevar consideravelmente nos
sistemas fotovoltaicos devido a renovação do banco de baterias. Sistemas de adsorção para essa
aplicação possuem o custo consideravelmente mais elevado, de $84.000 a $119.000 porém com
uma queda acentuada ao longo do tempo devido principalmente a pesquisa relacionadas ao
mecanismo de adsorção. Os sistemas dessecantes permanecem praticamente na mesma faixa de
valores que os sistemas de resfriamento por absorção.
Diante desses valores conclui-se que atualmente as tecnologias, na aplicação citada, estão no
mesmo patamar de competitividade, exceto a adsorção que apresentou custos bem maiores que as
demais. No futuro com a projeção de redução de preço para os módulos fotovoltaicos espera-se que
o 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 750
sistemas de refrigeração solares foram instalados, incluindo instalações de pequena capacidade
(<20 kW). Recentemente uma série de grandes instalações foram concluídas ou estão em
construção. Exemplos são o sistema o banco CGD, em Lisboa, Portugal com uma capacidade de
refrigeração de 400 kW e uma área de coletores de 1.560m ², um sistema instalado no United World
College, em Cingapura, concluída em 2011, com uma capacidade de refrigeração de 1.470 kW e
uma área de coletores solares de 3.900m ².
O número maior de instalações de grande porte é justificado por terem um custo menor, devido às
economias de escala e demanda e as limitações de equipamentos com capacidades menores. Porém
instalações de pequeno porte e sistemas de refrigeração para aplicação residencial tem aumentado
consideravelmente nos últimos tempos, especialmente em Espanha.
Foi realizado uma projeção de uso da energia solar para resfriamento e condicionamento de ar em
ambientes 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 proporções
bastante 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 até
2025 e a partir de 2030 esse crescimento sobe para 70PJ/ano. O comportamento do gráfico é similar
a queda esperada no preço dos sistemas por compressão devido principalmente ao custo do módulo
fotovoltaico, como apresentado anteriormente. As fontes discordam somente quanto ao ano dessa
mudança sendo que Otanicar prevê para 2020 enquanto a IEA para 2030.
Em relação as quantidades instaladas atualmente de sistemas de resfriamento e condicionamento de
ar via energia solar Sparber[15] estima em seus estudos a potência dos sistemas de refrigeração no
mundo 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 da
Grécia. Outra observação interessante é que a grande maioria dos sistemas atualmente em operação
são sistemas de absorção, seguidos de adsorção.
No Brasil essa tecnologia ainda não é utilizada, há somente algumas aplicações pontuais em
pequena escala. O desenvolvimento desse sistemas possui grande importância no Brasil, por se
tratar de um país com clima tropical, dependendo consideravelmente de equipamentos de
condicionamento de ar. Nota-se que algumas empresas brasileiras comercializam sistemas de
refrigeração convencionais com acionamento por painéis fotovoltaicos. Um exemplo disso é a
empresa Tecnometal[16], que disponibiliza kits de resfriamento solar completos, com freezers de
alta 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 site
três opções de kit de resfriamento: A primeira com 3 módulos de 140Wp para acionar um freezer de
150L, um frigobar de 120L ou uma geladeira de 240L. A segunda opção com 5 módulos de 140Wp
acionando um freezer de 260L ou uma geladeira de 350. E a última com 7 módulos de 140Wp
acionando uma geladeira de 420L. Em todos os kits não há fornecimento de baterias e não é
prestado o serviço de montagem do sistema.
Essas opções personalizadas oferecem o sistema em DC já dimensionado para a carga que se o tipo
de refrigerador que se deseja. Em localidades isoladas onde se deseja acionar outras cargas a
aplicação do resfriamento solar é geralmente conectada em AC juntamente com as outras cargas no
inversor. 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 conta
com 20m² de coletores solares planos com uma capacidade de resfriamento de 12kW. Esse sistema
é recente, sendo instalado em 2012. O resfriamento do ambiente se dá pela circulação de água fria
por tubos dentro das paredes.
Em relação à pesquisa, existe um laboratório ligado a Universidade da Paraíba especializado nessa
área chamado LES-Laboratório de Energia Solar. Esse laboratório se dedica a esse ramo de
pesquisa, principalmente com sistemas de adsorção e chegou até a desenvolver uma máquina de
gelo como protótipo. Essa máquina tem capacidade de geração de 10kg por dia, com uma área de
1m² de um coletor solar com concentração parabólica. Nesse modelo foi utilizado como adsorvente
carvão ativado e como refrigerante Metanol.
Além dessa máquina de gelo outra trabalho relevante é apresentado por Gurgel et al. [18], professor
desse mesmo laboratório. Nesse caso é feito a análise de um sistema de com o objetivo de
resfriamento de água. Esse trabalho apresenta algumas inovações em relação a arquitetura do reator
e conseguiu-se com simulações valores de coeficiente de performance 40% maior que o sistema de
adsorção convencional.
6. Conclusões- O presente trabalho demonstra as tecnologias e as capacidades de conversão atuais
de cada uma delas. A refrigeração por absorção é a que possui maior capacidade instalada no
mundo, 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 é
apresentado a projeção de instalações previsto pela IEA, com um crescimento absurdamente
elevado. Esse crescimento associado a queda do custo de instalação demonstram uma abertura de
mercado considerável para essa tecnologia. Além desse cenário favorável, a questão ambiental
também é outra peça fundamental nesse tema, pois reduz a necessidade de novas unidades de
geração 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. Disponível
em:<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 Spanish
housing 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 solar
thermal 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. Renewable
and 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 the
performance. 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 Energy
Reviews, 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 Solar
Air 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 maio
2013.
[18]GURGEL, José Maurício, et al. Sistema de Refrigeração Absortivo com a Utilização de um Coletor Solar com
Anteparo Ótico. Paraíba, 2005. 9 p.

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Introdução à refrigeração solar por absorção

  • 1. INTRODUÇÃO ÀS ENERGIAS RENOVÁVEIS Solar cooling Autor – Wilson Braga Júnior Este trabalho pretende ser uma apresentação das tecnologias do uso de energia solar para a retirada de calor, seja em ambientes para manter o conforto térmico ou em dispositivos de refrigeração de produtos. Essa tecnologia possui um aspecto interessante, pois a necessidade de se resfriar cresce com o aumento da radiação solar. Essa relação de complementariedade entre disponibilidade energética e necessidade faz com que essa aplicação seja um uso interessante da energia solar. As técnicas atuais de refrigeração solar dividem-se basicamente entre captar a energia solar por painéis fotovoltaicos e através de painéis solares de aquecimento. O detalhamento dessas duas tecnologias é apresentado a seguir. 1. Captação por módulos fotovoltaicos- Nesses sistemas a energia de entrada no ciclo de resfriamento é na forma de trabalho de eixo. Nesse caso a energia solar é inicialmente captada através de um módulo fotovoltaico e convertida em eletricidade. Essa energia aciona um compressor, que por sua vez fornece energia mecânica a um ciclo de compressão de vapor, para resfriamento de produtos ou ambientes. Esse tipo de sistema para retirada de calor é o mais utilizado atualmente, principalmente por ter a comodidade de ser acionado através de trabalho mecânico, que se consegue facilmente com um motor elétrico. Na aplicação quando esses sistemas são ligados no inversor é possível disponibilizada pelo inversor desenvolver tanto o resfriamento através de geladeira, frigobar, câmaras de resfriamento e simultaneamente alimentar outras cargas como iluminação e outros eletrodomésticos. Dessa forma esse sistema tem a vantagem da flexibilidade promovido pela energia elétrica. O ciclo de refrigeração por compressão acionado nesses sistemas é ilustrado através da figura a seguir.
  • 2. Como apresentado na figura o vapor de refrigerante entra no compressor onde tem sua pressão e temperatura aumentadas. Após essa etapa ele é deslocado para o condensador que tem a função de liberar a energia térmica para o meio exterior. O fluido, ao liberar energia, passa do estado de vapor superaquecido para líquido(condensação) e finalmente entra no dispositivo de expansão, onde tem sua pressão reduzida, para novamente ingressar no evaporador e retirar calor do sistema. Em seguida ele retorna ao compressor finalizando-se assim o ciclo. Nesses sistemas o fluido que circula no ciclo é chamado fluido refrigerante. Inicialmente eram utilizados como refrigerante gases Cloro Flúor Carbono (CFC’s), porém devido aos problemas ambientais essa substancia está sendo substituída por outros tipos de gases. O National Institute of Standards (NIST)[1] dos EUA realizou uma pesquisa examinando mais de 800 fluidos industriais quanto ao potencial para uso como refrigerante, sendo que 51 foram classificados como adequados, sendo a maioria hidrocarbonetos e hidrocarbonetos halogenados. Essa pesquisa demonstra a gama de possibilidades de aplicação dessa tecnologia sendo que cada gás possui propriedades termodinâmicas diferentes e sua aplicação depende das características da instalação. Para se ter uma ideia do rendimento global de sistemas de refrigeração citados neste trabalho serão definidos as eficiências médias dos sistemas de captação de energia solar e os rendimentos dos sistemas de refrigeração. Em relação a tecnologia fotovoltaica, os 259 módulos certificados pelo Inmetro[2] possuem eficiência entre 6,9% e 16,7 com a média de 13,3%. A eficiência do ciclo de refrigeração é medido por uma variável chamada coeficiente de performance. Ela é calculada pelo quociente de energia retirada do ambiente que se deseja pela quantidade de energia necessária para seu funcionamento. Sistemas de resfriamento por compressão possuem coeficiente de performance bastante elevado quando comparado com outros ciclos. Esse valor teórico varia com as temperaturas de fusão e ebulição do refrigerante como apresentado na Figura 04, extraída do livro Industrial Handbook Refrigeration[3]
  • 3. 2. Captação por painéis solares- Nesses sistemas a energia solar é inicialmente captada diretamente através de coletores solares, que são equipamentos projetados para aproveitar a energia térmica da radiação solar. Para sistemas de aquecimento é possível também o uso concentração solar através de espelhos ou lentes para aumentar ainda mais a temperatura do fluido, captando-se assim uma quantidade maior de energia. A energia que térmica que é transmitida para o fluido é utilizada como energia de entrada para o ciclo refrigeração ou estocada em um reservatório térmico para ser utilizada em outro momento. Esse fluido aquecido também pode ser utilizado para aquecimento, 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 201 coletores solares planos certificado por esse órgão, possuem eficiência entre 39,1 e 77,4% com a média de 57,7%. Nota-se que esse processo consegue converter grande parte da energia solar em energia térmica, porém o resultado dessa conversão é um tipo de energia bem menos nobre que a eletricidade. Os ciclos de refrigeração acionados por calor podem ser divididos em 3 grandes grupos, de absorção, adsorção e circuito aberto. Abaixo são apresentados cada um deles. 2.1. Absorção - O resfriamento por absorção inicia-se, no evaporador onde há vapor de refrigerante de baixa pressão. Esse fluido é encaminhado ao absorvedor onde é absorvido por um fluido absorvedor. Após a absorção essa solução no é chamada de concentrada, pois contém grande quantidade de refrigerante misturada ao abservedor. Uma bomba eleva a pressão da solução concentrada e faz com que ela entre no gerador. No gerador, ocorre a adição de calor, que foi
  • 4. captada através dos coletores solares. Essa troca térmica faz com que a solução se separe e o refrigerante é encaminhado para o condensador. A solução líquida, que agora tem baixa concentração de refrigerante, retorna ao absorvedor pela válvula redutora de pressão. No condensador há passagem de água fria, que resfria o vapor e condensa o refrigerante. O refrigerante vai para o evaporador através de uma válvula de expansão. No evaporador ocorre a troca de calor do meio a ser refrigerado e o refrigerante que evaporará. O diagrama desse sistema de resfriamento é apresentado abaixo. No ciclo de absorção a afinidade entre o fluido refrigerante e a solução é fundamental para se conseguir 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 possui ponto de fusão em aproximadamente -77°, podendo ser utilizada em baixas temperaturas. Outra característica desse fluido é a volatilidade sendo necessário um retificador para separar a água da amônia, 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 é utilizada como refrigerante e o brometo como absorvedor. Esse sistema tem o problema de operações com temperaturas abaixo de 0°C. Além disso nesse ciclo é necessário condições de vácuo, e em altas concentrações a mistura tende a se tornar cristalina. Além desses existem várias outras tecnologias de par refrigerante e absorvedor em pesquisa, como o 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 um sistema de 160m² de coletores solares planos e com uma capacidade de resfriamento de 40kW esse sistema 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 com uma 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 com uma capacidade de resfriamento de 6kW alcançou um coeficiente de performance de 0,58, com os
  • 5. fluidos lítio-brometo/água. Deve-se observar que a ordem de grandeza dos coeficientes de performance desses sistemas de resfriamento é consideravelmente menor que os sistemas a compressão, o que compensa a vantagem 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. O diagrama desse caso é apresentado na figura abaixo. A operação desse sistema é bastante similar ao primeiro, porém nesse caso o sistema possui dois geradores 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 hidrogênio como gás auxiliar, com o uso dos fluidos água e amônia. Esse sistema é conhecido como refrigeração 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 de temperaturas mais elevadas, normalmente acima de 150°C. Como os coletores solares convencionais não alcançam essa temperatura é necessário desenvolver um sistema de concentração e uma tubulação específica para o aproveitamento dessa tecnologia com recurso solar. Em relação ao desempenho desse sistema Zohar et al[9] desenvolveu um estudo, com sistema água/amônia que apresenta um aumento de 14 a 20% no COP em relação ao sistema de circulação normal de simples estágio. Segundo a Agência Internacional de Energia (IEA)[10] a tecnologia de absorção possui grande aplicação em média e pequena escala sendo capaz de suprir praticamente qualquer carga de refrigeração. Atualmente várias empresas principalmente na Itália e na Áustria possuem modelos comerciais. Os principais focos de desenvolvimento de pesquisa nessa área é a redução do curso inicial de implementação dessa tecnologia, a redução do consumo elétrico de equipamentos auxiliares 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 ao invés da sorção ser realizada por um fluido ela é feita por uma superfície sólida. Algumas das vantagens dessa alteração é o sistema se comportar bem em uma faixa grande de temperaturas,
  • 6. possui menos problemas com vibração, presentes em sistemas por absorção, além de possuírem um design 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 de interação entre o meio físico e o fluido, podendo ser físico em que a interação entre as moléculas é devido somente as forças de van der Waals e processos em que ocorre reação química entre eles. Os processos químicos geralmente apresentam um COP mais elevado em relação aos físicos. Wang[11] demonstra estudos teóricos de ciclos de adsorção e apresenta Coeficientes de Performance estimado para alguns tipos de sistemas. Com adsorvente de carbono ativo o coeficiente de performance apresentado fica em torno de 0,6, enquanto sistemas de carbono ativo e amônia 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 de adsorção tem sido relacionado a melhoria da transferência de calor e massa por múltiplos adsorvedores, além da redução dos custos da instalação. 2.3. Ciclo dessecante- Esse sistema é aplicado no conforto térmico de ambientes. Inicialmente o fluxo de ar externo passa através do rotor dessecante através da adsorção. Parte do vapor de água é retido no material dessecante, fazendo com que o ar seja desumidificado e sua temperatura elevada devido ao calor de adsorção. O fluxo de ar sai quente e quase seco e ao passar pelo rotor sensível cederá calor para matriz sensível sendo resfriado passando em seguida pelo resfriador evaporativo onde será umidificado e novamente resfriado. Esse ar é utilizado para insuflar no ambiente. O ar do ambiente é recolhido e passa por outro resfriador evaporativo e resfria o ar de retorno para alimentar o rotor sensível, servindo como fonte de alimentação fria. Esse fluxo é novamente aquecido através de uma fonte de calor externa (proveniente do aquecedor solar) com o intuito de regenerar o rotor dessecante. O fluxo de ar aquecido passará pelo rotor dessecante abrindo os poros e arrastando o vapor de água na seção de dessorção. O ar quente e úmido resultante é expelido para o ambiente externo. A representação desse sistema é apresentada abaixo. Wang[12] desenvolveu simulações com vários pares de absorvedor e refrigerante chegando aos coeficientes de performance de 0,67 para carbono ativo e amônia, 0,36 a 0,41 para CaCl2, Carbono ativado e amônia, 0,43 para hidreto de metal e hidrogênio e 0,9 para zeólito e água.
  • 7. 4. Comparação geral dos sistemas- Uma comparação geral de dos coeficientes de performance das tecnologias acionadas por calor é desenvolvida por Otanicar et al.[13] que extrapola essas valores até o ano de 2030. Esse gráfico é apresentado a seguir O gráfico demonstra um leve aumento do coeficiente de performance nas tecnologias de absorção apresentadas, enquanto a adsorção e o ciclo dessecante apresentam um aumento significativo. Por essa projeção espera-se que, em 2030 ciclos de adsorção tenham coeficiente de performance próximos do ciclo de absorção com amônia, enquanto o ciclo dessecante irá alcançar níveis próximos ao ciclos de refrigeração por compressão. Além dessa análise ele desenvolveu uma análise de custos globais de sistemas de refrigeração simulando uma planta com uma potência de resfriamento 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 de resfriamento com módulos fotovoltaicos gira em torno de $37.000 para sistemas com coeficiente de performance igual a 6. Para sistemas menos eficientes, com coeficiente de performance de 3 o coeficiente o custo chega em torno de $59.000 Essa mudança é relacionada principalmente com o custo dos módulos fotovoltaicos que representa grande parte do investimento atualmente. Dessa forma sistemas menos eficientes precisam de mais geradores, aumentando o custo total do empreendimento. Espera-se que a esses custos tenham uma grande queda até 2030, fazendo com que essa diferença seja consideravelmente reduzida.
  • 8. As tecnologias envolvendo painéis solares térmicos também foram verificadas quanto ao custo de instalação. A tecnologia de lítio-brometo apresentam uma faixa de custos de $44.000 a $78.000 enquanto sistemas com absorção por amônia vão de $48.000 a $74.000 atualmente. Com os dados apresentados pode-se dizer que atualmente os sistemas de refrigeração solar por compressão possuem custos equivalente aos por absorção. Deve-se notar que o autor não inseriu custos de manutenção no sistema e troca de equipamentos, fato que pode elevar consideravelmente nos sistemas fotovoltaicos devido a renovação do banco de baterias. Sistemas de adsorção para essa aplicação possuem o custo consideravelmente mais elevado, de $84.000 a $119.000 porém com uma queda acentuada ao longo do tempo devido principalmente a pesquisa relacionadas ao mecanismo de adsorção. Os sistemas dessecantes permanecem praticamente na mesma faixa de valores que os sistemas de resfriamento por absorção. Diante desses valores conclui-se que atualmente as tecnologias, na aplicação citada, estão no mesmo patamar de competitividade, exceto a adsorção que apresentou custos bem maiores que as demais. No futuro com a projeção de redução de preço para os módulos fotovoltaicos espera-se que o 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 750 sistemas de refrigeração solares foram instalados, incluindo instalações de pequena capacidade (<20 kW). Recentemente uma série de grandes instalações foram concluídas ou estão em construção. Exemplos são o sistema o banco CGD, em Lisboa, Portugal com uma capacidade de refrigeração de 400 kW e uma área de coletores de 1.560m ², um sistema instalado no United World College, em Cingapura, concluída em 2011, com uma capacidade de refrigeração de 1.470 kW e uma área de coletores solares de 3.900m ². O número maior de instalações de grande porte é justificado por terem um custo menor, devido às economias de escala e demanda e as limitações de equipamentos com capacidades menores. Porém instalações de pequeno porte e sistemas de refrigeração para aplicação residencial tem aumentado consideravelmente nos últimos tempos, especialmente em Espanha. Foi realizado uma projeção de uso da energia solar para resfriamento e condicionamento de ar em ambientes também pela IEA e o resultado é mostrado no gráfico a seguir.
  • 9. Segundo a projeção desenvolvida espera-se que o uso dessa tecnologia aumente em proporções bastante 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 até 2025 e a partir de 2030 esse crescimento sobe para 70PJ/ano. O comportamento do gráfico é similar a queda esperada no preço dos sistemas por compressão devido principalmente ao custo do módulo fotovoltaico, como apresentado anteriormente. As fontes discordam somente quanto ao ano dessa mudança sendo que Otanicar prevê para 2020 enquanto a IEA para 2030. Em relação as quantidades instaladas atualmente de sistemas de resfriamento e condicionamento de ar via energia solar Sparber[15] estima em seus estudos a potência dos sistemas de refrigeração no mundo 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 da Grécia. Outra observação interessante é que a grande maioria dos sistemas atualmente em operação são sistemas de absorção, seguidos de adsorção. No Brasil essa tecnologia ainda não é utilizada, há somente algumas aplicações pontuais em pequena escala. O desenvolvimento desse sistemas possui grande importância no Brasil, por se tratar de um país com clima tropical, dependendo consideravelmente de equipamentos de condicionamento de ar. Nota-se que algumas empresas brasileiras comercializam sistemas de refrigeração convencionais com acionamento por painéis fotovoltaicos. Um exemplo disso é a empresa Tecnometal[16], que disponibiliza kits de resfriamento solar completos, com freezers de alta eficiência, tipo frigobar, acionado por módulos fotovoltaicos e bancos de bateria.
  • 10. Outra empresa que oferece o mesmo tipo de solução é a Solar Brasil[17] que apresenta no seu site três opções de kit de resfriamento: A primeira com 3 módulos de 140Wp para acionar um freezer de 150L, um frigobar de 120L ou uma geladeira de 240L. A segunda opção com 5 módulos de 140Wp acionando um freezer de 260L ou uma geladeira de 350. E a última com 7 módulos de 140Wp acionando uma geladeira de 420L. Em todos os kits não há fornecimento de baterias e não é prestado o serviço de montagem do sistema. Essas opções personalizadas oferecem o sistema em DC já dimensionado para a carga que se o tipo de refrigerador que se deseja. Em localidades isoladas onde se deseja acionar outras cargas a aplicação do resfriamento solar é geralmente conectada em AC juntamente com as outras cargas no inversor. 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 conta com 20m² de coletores solares planos com uma capacidade de resfriamento de 12kW. Esse sistema é recente, sendo instalado em 2012. O resfriamento do ambiente se dá pela circulação de água fria por tubos dentro das paredes. Em relação à pesquisa, existe um laboratório ligado a Universidade da Paraíba especializado nessa área chamado LES-Laboratório de Energia Solar. Esse laboratório se dedica a esse ramo de pesquisa, principalmente com sistemas de adsorção e chegou até a desenvolver uma máquina de gelo como protótipo. Essa máquina tem capacidade de geração de 10kg por dia, com uma área de 1m² de um coletor solar com concentração parabólica. Nesse modelo foi utilizado como adsorvente carvão ativado e como refrigerante Metanol. Além dessa máquina de gelo outra trabalho relevante é apresentado por Gurgel et al. [18], professor desse mesmo laboratório. Nesse caso é feito a análise de um sistema de com o objetivo de resfriamento de água. Esse trabalho apresenta algumas inovações em relação a arquitetura do reator e conseguiu-se com simulações valores de coeficiente de performance 40% maior que o sistema de adsorção convencional. 6. Conclusões- O presente trabalho demonstra as tecnologias e as capacidades de conversão atuais de cada uma delas. A refrigeração por absorção é a que possui maior capacidade instalada no mundo, 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 é apresentado a projeção de instalações previsto pela IEA, com um crescimento absurdamente elevado. Esse crescimento associado a queda do custo de instalação demonstram uma abertura de mercado considerável para essa tecnologia. Além desse cenário favorável, a questão ambiental também é outra peça fundamental nesse tema, pois reduz a necessidade de novas unidades de geração com a utilização de combustíveis convencionais baseados em hidrocarbonetos, representando tanto um ganho ambiental como financeiro.
  • 11. 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. Disponível em:<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 Spanish housing 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 solar thermal 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. Renewable and 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 the performance. 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 Energy Reviews, 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 Solar Air 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 maio 2013. [18]GURGEL, José Maurício, et al. Sistema de Refrigeração Absortivo com a Utilização de um Coletor Solar com Anteparo Ótico. Paraíba, 2005. 9 p.