Análise de viabilidade econômica de painéis solares híbridos de geração fotovoltaica e térmica para residências em diferentes regiões do Brasil

Abstract

Diante de um panorama mundial de mudanças climáticas há uma tendência global da adoção e investimento em energias renováveis. Inserida no mercado das renováveis, a energia solar apresentou crescimento significativo nos últimos anos, inclusive no cenário brasileiro. Ainda assim, há um grande potencial de geração de energia ainda não explorado. O Brasil mostra ótimas condições naturais para aproveitamento dessa energia, porém não explora seu potencial tanto quanto países como Alemanha, Espanha e Itália. Portanto existem tendências positivas de crescimento para o mercado. No setor residencial já há alguma adoção desse tipo de tecnologia, principalmente de painéis fotovoltaicos. Coletores solares (que geram energia térmica) ainda são pouco utilizados. Contraditoriamente, grande parte da energia consumida pelo setor residencial é destinada ao aquecimento de água. Para explorar esse setor de mercado é proposta uma solução que utiliza painéis fotovoltaicos já existentes para geração de energia térmica. Essa solução consiste em instalar um trocador de calor na parte posterior do módulo fotovoltaico, possibilitando que um fluxo de água seja aquecido com a energia absorvida do Sol. Este trabalho possui como objetivo simular o ponto de equilíbrio na visão de possíveis clientes desse equipamento. Para isso são elaborados modelos de simulações térmicas no software TRNSYS para determinar as quantidade de energia gerada e consumida por diferentes sistemas de aquecimento de água. Além disso são levantados diversos dados para poder melhor caracterizar cada cliente. Esses dados incluem, entre outros, localização geográfica, consumo médio e perfil de consumo de água quente e tarifa de energia elétrica. São então elaborados diversos mapas para demonstrar os resultados obtidos nos 13 estados simulados, cada qual com 3 tipos de clientes potenciais. As simulações realizadas geraram resultados condizentes com a literatura técnica. Dentre todas as permutações analisadas ambos o maior e o menor pontos de equilíbrio foram obtidos no Rio de Janeiro, em diferentes cenários. Dois dos cenários considerados tiveram economias significativas no consumo de energia. No terceiro cenário houveram estados com aumento no consumo de energia. As simulações também mostraram aumento na eficiência de geração de energia elétrica com o sistema híbrido. Para os coletores solares houveram situações de aumento e de queda na eficiência. Da análise de sensibilidade conclui-se que algumas variáveis, como o preço da tarifa, possuem grande impacto nos resultados de alguns estados. Os resultados obtidos são promissores para o produto. Ele se mostrou viável nos três cenários. O terceiro cenário teve, em média, os maiores pontos de equilíbrio. Nota-se que esses resultados podem sofrer alterações, pois o trocador de calor ainda está sendo estudado e os parâmetros utilizados nas simulações podem não condizer com o produto final.

Facing a global paradigm of climate change, there is a global tendency to adpot and invest in renewable energy. Within the renewables market, solar energy has shown significant growth in the last years, including in the brazlian market. Still, there is a lot of energy generation potential yet to explore. Brazil has great potential to harvest this type of energy, but it does not yet explore this potential as well as countries like Germany, Spain and Italy explore theirs. Therefore, there is room for growth in the brazlian solar energy market. In the residential sector there is already use of this type of technology, mainly for photovoltaic panels. Solar collectors (which generate thermal energy) are still not widespread. In contradiction, a great part of the energy consumed by the residential sector is used to heat water. To explore this market a solution that uses already installed photovoltaic panels to generate thermal energy is proposed. This solution relies on installing a heat exchanger on the backside of a photovoltaic module, allowing flowing water be heated by the energy absorbed from the Sun. This work intends to simulate the breakeven point for different types of consumers for this equipment. To this end, thermal simulations are made on the software TRNSYS to determine the amount of energy generated and consumed by different water heating systems. To that end data are gathered to characterize different types of clients. These data include, among others, geographical location, average hot water consumption and consumption profile and electrical energy tariff. Several maps are made to show the results obtained on the 13 simulated states, each with 3 types of potential clients. The simulations generated results on par with available technical literature. Among all analyzed permutations both the highest and lower breakeven point were obtained for Rio de Janeiro, in different scenarios. Two of the considered scenarios had significant energy savings. On the third there were states that increased their energy consumption. The simulations also have shown an increase in the electrical energy generation efficiency with the hybrid system. The collectors have shown both increase and decrease in efficiency. From the sensitivity analysis it was concluded that some variables, such as tariff price, have great influence on the results of some states. The obtained results are promising for the product. It was shown to be consistently viable in all of the three scenarios. The third scenario shows, on average, the highest breakeven points. It is worth noting that these results are subject to change, since the heat exchanger is still under study and the parameters used in the simulations could not be representative of the final product.