Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Solar Termica/Aula_9_2017... · conforme mostrado na...

Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Coletores térmicos de concentração

2º. semestre, 2017

2

Por quê concentrar?

3

Coletores concentradores v  Para muitas aplicações é desejável fornecer energia a temperaturas

maiores que aquelas possíveis com coletores planos;

v  Uma das possibilidades é através da diminuição da área na qual as perdas térmicas ocorrem. Isso é feito interpondo um dispositivo ótico entre a fonte de radiação e a superfície absorvedora de energia. Além disso, menores absorvedores correspondem à menores perdas térmicas quando comparados aos coletores planos operando na mesma temperatura do absorvedor;

v  Os concentradores podem ser divididos em: (a) não formadores de imagem (ou anidólicos) ou formadores de imagem. Além disso podem ser divididos em refletores ou refratores; ou em convexos, planos e côncavos, ou com ou sem cobertura; e ainda com seguimento ou estático.

4

Algumas configurações de coletores concentradores

5

Relação de concentração Existem duas definições de relação (ou fator) de concentração. A primeira delas é geométrica, que é a mais utilizada para sistemas térmicos de concentração, definida por:

r

ageo A

ACC ==

onde Aa é a área de abertura e Ar é a área do receptor. Outra definição que pode ser empregada é chamada de relação de concentração de fluxo, definida como a razão entre o fluxo de radiação na abertura em relação ao fluxo de radiação no absorvedor, conforme:

r

aflux I

IC =

6

Relação de concentração v  A relação de concentração tem um limite superior que depende se a

concentração é tridimensional (concentradores circulares ou paraboloides) ou bidimensional (linear) tal como em um concentrador de calha parabólica.

v  Como mostrado por Rabl (1976), baseado na 2ª. Lei da Termodinâmica

aplicada a uma transferência de calor por radiação entre o Sol e o receptor, conforme mostrado na figura abaixo:

onde θs é o semi-ângulo de aceitação (ângulo de aceitação é 2θs i.é, a faixa angular sob a qual todos ou quase todos os raios são aceitos pela abertura do concentrador, sem movimentá-lo). Ver derivação em Duffie e Beckman (2006).

Ar

Aa

- Rabl, A. Comparision of solar concentrators. Solar Energy, v. 18, pp. 93-xx, 1976.

- Duffie, J.A., Beckman, W.A. Solar engineering of thermal process. Hoboken: John Wiley, 3ª. Ed., 2006.

7

Relação de concentração v  A máxima relação de concentração para um concentrador 3D é dada

por:

e para um concentrador 2D é dada por: Como o semi-ângulo sólido do Sol é de Δs = 4,7 mrad (θs = 0,27°), a máxima relação de concentração para concentradores circulares (3D) é de ≈ 45.000, enquanto para concentradores 2D é de ≈ 212.

sDmax, sin

Cθ231

=

sDmax, sin

Cθ1

2 =

θs

8

Relação de concentração v  Quanto maior é a temperatura na qual a energia deverá ser fornecida, maior deverá ser a

relação de concentração e mais precisa deverá ser a ótica do concentrador e de seu sistema de orientação.

A curva “lower limit” da figura acima representa as relações de concentração na qual as perdas térmicas se igualam com a energia absorvida. Assim, valores maiores de C resultarão em ganhos úteis. A área sombreada corresponde a eficiências entre 40 e 60%, representando faixas de operação.

9

Relação de concentração v  Na prática, o ângulo de aceitação deverá ser aumentado (e, como consequência, a relação

de concentração diminui) em função de:

v  Concentradores convencionais são baseados em sistemas óticos que se afastam muito da condição de limite termodinâmico por fatores de 2 a 4;

v  Erros de seguimento ou no contorno dos espelhos e no alinhamento dos receptores

obrigam a trabalhar com ângulos de aceitação maiores que os do Sol; v  Nenhuma lente ou material de fabricação dos espelhos é perfeitamente especular,

obrigando o aumento do ângulo de aceitação; v  Devido aos efeitos de dispersão da radiação na atmosfera, parte significativa da

radiação solar vem de outras direções do hemisfério celeste, além do disco solar.

10

Concentradores não formadores de imagem - anidólicos v  Como o nome diz, não produzem uma imagem claramente definida do Sol no

absorvedor, mas sim distribuem todas as partes do disco solar em todas as partes do absorvedor.

v  Um destes concentradores é chamado de CPC (compoud parabolic

concentrator) ou concentrador parabólico composto. Na figura abaixo é mostrada a seção transversal de um CPC simétrico não truncado.

www.genuineholographics.com 369

Layout

ci sinddC

θ1

2

1 ==

11

Concentradores não formadores de imagem - anidólicos v  Este concentrador tem a capacidade de refletir para o receptor toda a radiação

incidente na apertura, dentro do ângulo de aceitação. A radiação difusa dentro desse ângulo também é considerada útil para o concentrador. 12 NONIMAGING OPTICS IN SOLAR ENERGY

by Rabl (1976c). If the origin of the coordinate system is taken as the center of the circular absorber tube of radius a, it is convenient to express the geometry of the sidewall profile terms of the coor-dinates, r and q, as defined in Figure 2.3. Here, r is the length of the tangent line from the point of tangency to the reflector and q is the parametric arc angle of the point of tangency relative to the downward vertical direction (i.e., the bottom of the circle). Inside the “shadow lines” (q < qc + p/2), the coordinate r can also be visualized as the length of a taut string being “unwrapped” from around the circular absorber and q is the “unwrapping angle.” The coordinates of the reflector inside the

FIGURE 2.2: Two-dimensional (trough-shaped) CPC reflectors for four absorber configurations as described in the text. The flat absorber (a) and the circular (tubular) absorber (d) shapes are the most useful practical shapes.

12

Concentradores não formadores de imagem - anidólicos v  Um CPC ideal com um semi-ângulo de aceitação de 23,5° terá Ci = 2,51 e um

com semi-ângulo de aceitação de 11,75°, Ci = 4,91.

v  Este concentrador pode ser utilizado com um mínimo de ajuste de seguimento (sazonais) e por isso chamado de concentrador estático.

CPCs 17

thus begin outside r2, and the bottom of the absorber tube is viewed by a “cavity” formed by one or (sometimes but rarely) more “Vee grooves,” which have the effect of increasing the throughput to compensate for some or most of the losses in the extended cusp solution (see O’Gallagher, Rabl, Winston, and McIntire, 1980). These matters are discussed in more detail in by Welford and Win-ston (1989).

2.6 CPC SOLAR GEOMETRYThe fundamental improvement provided by nonimaging optics in general and CPCs in particular is an increase in the field of view for a given geometric concentration. With CPCs, this allows useful concentration to be achieved without active tracking. There are several ways to do this; the most common is illustrated in Figure 2.6. The long axis of the CPC troughs is aligned in an east–west direction, and that of the normal to the trough apertures is tilted downward from the zenith by an angle equal to the latitude angle. The angular acceptance is a wedge of half-angle ±qc. This wedge traces out an “orange slice” on the celestial sphere, and whenever the sun’s path lies within this or-ange slice, all of the direct solar radiation is collected, concentrated, and delivered to the absorber.

FIGURE 2.6: The basic deployment geometry for an east–west-aligned CPC in the northern hemi-sphere is illustrated (as viewed looking east).

13

Concentradores não formadores de imagem - anidólicos v  Na parte superior das parábolas de um CPC, as superfícies são paralelas em

relação ao plano central de simetria do concentrador e, dessa forma, os refletores pouco contribuem para que a radiação alcance o absorvedor.

v  Assim, o concentrador pode ser truncado de uma altura h para uma altura hT, economizando área de refletor mas sem grande impacto no seu desempenho.

14

Concentradores não formadores de imagem - anidólicos v  A figura abaixo mostra a fração da radiação incidente na abertura de um

concentrador com semi-ângulo de abertura θc em função do ângulo θ, que atinge o absorvedor.

Nessa figura, Δ é o erro angular da superfície; (_____ ) CPC sem erro de superfície; (----) CPC truncado sem erro de superfície e (........) CPC com erros de superfície.

15

Concentradores não formadores de imagem - anidólicos v  Exemplos de concentradores CPC truncados:

Compound parabolic concentrator technology development to commercial solar detoxification applications 323

Fig. 4. One-sun CPC design and effect of reflection on absorber glass.

that, even with a gap between the inner reactor final prototype plant consists of E–W orientedwall and the cusp, because of refraction on the parallel rows of 21 collectors each. The structureglass (which acts like a radiation trap), resulting was slightly tilted (1%) in the same direction tooptical loss is negligible. This leads to a choice dry-out rain water and avoid its accumulation inbased on collector construction and production the CPC troughs. Final system design is complete-economics. ly modular. Collectors are connected in seriesThe CPC reflector is made of highly reflective using HDPE quick connections between glass

anodised aluminium sheet held by a galvanised reactor tube absorbers. Water flows simultaneous-frame supporting 16 parallel 1.5-m-long tubes, ly through all parallel tubes and there is no limiteach with an appropriate connector for the adja- to the number of collector components modulescent tube (Fig. 5). A complete module is formed may have. Water goes in and out of the rowsby a series of collectors connected in a row. The through two manifolds at opposite ends.

Fig. 5. Drawing of pipe connections of each row of CPCs.

Iguaçu- October 2005

Low temperature applications (T<100ºC)

C=1.12 (�=56 and �c=76)

CPC produced by AO SOL, Portugalwww.aosol.pt

Present product: lower temperature applications (T<100ºC)

Implies really large �C=1.12 (�a=56 and �t=76)

CPC produced by AO SOL, Portugalwww.aosol.pt

EW and NS orientation of the CPC troughs: NS is essential for DHW thermosyphon systems!

16

Concentradores de calha parabólica v  Concentradores tipo calha parabólica (CCP) ou também chamados de cilindro

parabólicos, são concentradores formadores de imagem, lineares, com seção transversal parabólica. São utilizados para relações de concentração intermediárias e faixa de temperatura entre 100 até 500 °C. O absorvedor geralmente é cilíndrico e envolto por uma cobertura de tubo evacuado.

17

v  O princípio de funcionamento de um CCP baseia-se na propriedade

geométrica de que um espelho parabólico reflete para o foco os raios incidentes normais ao plano de abertura da parábola. No foco da parábola localiza-se o elemento absorvedor, que recebe a radiação concentrada e transfere esta energia sob a forma de calor para um fluido de trabalho.

v  Grandes campos de concentradores fornecem então a energia térmica necessária para a produção de vapor. Esse vapor escoando em uma turbina, acoplada a um gerador, produz energia elétrica.

v  Essa tecnologia corresponde atualmente à maior fatia de sistemas CSP (Concentrating Solar Power) em operação. Quando comparada com outras tecnologias de concentração (Fresnel linear, discos parabólicos/Stirling ou torres solares), representam aproximadamente 90% da capacidade instalada.

Concentradores de calha parabólica

Concentrating Solar Power: Outlook 2009 15

How it works – the technologies

A range of technologies can be used to concentrateand collect sunlight and to turn it into medium to hightemperature heat. This heat is then used to createelectricity in a conventional way, for example, using asteam or gas turbine or a Stirling engine. Solar heatcollected during the day can also be stored in liquid orsolid media such as molten salts, ceramics, concreteor phase-changing salt mixtures. At night, it can beextracted from the storage medium to keep the turbinerunning. Solar thermal power plants with solar-onlygeneration work well to supply the summer noon peakloads in wealthy regions with significant cooling demands,such as Spain and California. With thermal energy storagesystems they operate longer and even provide base-loadpower. For example, in Spain the 50 MWe Andasol plantsare designed with about 8 hours thermal storage,increasing annual availability by about 1,000 to2,500 hours.

The concentrating mirror systems used in CSP plantsare either line or point-focussing systems. Line systemsconcentrate radiation about 100 times, and achieveworking temperatures of up to 550°C while point systemscan concentrate far more than 1,000 times and achieveworking temperatures of more than 1,000°C. There arefour main types of commercial CSP technologies:parabolic troughs and linear fresnel systems, which areline-concentrating, and central receivers and parabolicdishes, which are point-concentrating. Central receiversystems are also called solar towers.

Part 2 provides information on the status of each typeof technology and the trends in cost. Since the lastGreenpeace update on CSP technologies in 2005, therehas been substantial progress in three main types of usebesides electricity, namely solar gas, process heat anddesalination. There have also been advances in storagesystems for these technologies. These are discussedfurther in Part 2.

Part 4 lists the development in the market by region.A full list of the CSP plants operating, in constructionand proposed, is provided in Appendix 1.

GreenpeaceInternational,SolarPACESand ESTELA

ConcentratingSolar PowerOutlook 2009

Sectionone

SOLARHEAT

FUEL

ELECTRICTICY

STEAMREFLECTOR

RECEIVERDIRECT

SOLARBEAM

RADIATION

CONCENTRATING SOLARCOLLECTOR FIELD

THERMAL ENERGYSTORAGE

POWER CYCLE

Figure 1.1: Schemeof Concentratingsolar collector andconcentrating solarthermal powerstation

238_CSPGlobalOutlook2009A_W.qxd:Layout 1 28/5/09 06:40 Page 15

18


19

Projetos atuais de CSP

http://www.nrel.gov/csp/solarpaces/by_country.cfm

20

Concentradores de calha parabólica v  O primeiro coletor de calha parabólica conhecido foi construído por John

Ericsson, em 1880 e foi utilizado para operar um motor térmico a ar. A primeira patente, no entanto, foi obtida pelos alemães Wilhelm Meier e Adolf Remshardt,

v  em 1907 com a finalidade de produzir vapor.

v  O inglês F. Shuman e o americano C.V. Boys construíram, em 1913, uma planta de 45 kW para bombeamento de água para irrigação em Meadi, Egito. As bombas eram acionadas com motores a vapor, recebido dos coletores parabólicos. Cada coletor possuía 62 m de comprimento e 4 m de abertura. A área de abertura total era de 1.200 m2 e o sistema foi capaz de bombear 27.000 L/min.

v  Apesar do sucesso, a planta foi fechada em 1915, devido o início da 1ª. Guerra Mundial mas também devido ao baixo preço dos combustíveis, tornando mais rentável o uso de tecnologias de combustão.

21


Planta com CCP construída em Al Meadi, no Egito, em 1913.

22

Concentradores de calha parabólica v  O interesse por essa tecnologia voltou somente à partir de 1977 quando o

Departamento de Energia dos EUA e também o Ministério de Pesquisa e Tecnologia da Alemanha começaram a financiar o desenvolvimento de equipamentos para aquecimento de processos e de bombeamento de água, em função dos elevados preços dos combustíveis fósseis. Como resultado desse esforço:

v  Entre 1977 e 1982 a companhia Acurex instalou sistemas de demonstração com coletores de

calha parabólica nos EUA para aquecimento de processos, totalizando quase 10.000 m2; v  A primeira planta de potência moderna foi construída em 1979 em Coolidge (Arizona), com

150 kWe; v  Nove países membros do IEA participaram no projeto de construção de plantas de

demonstração, com capacidade nominal de 500 kW, na Plataforma Solar de Almería, Espanha, que foi posta em operação em 1981;

23

Concentradores de calha parabólica v  O primeiro projeto financiado com recursos privados foi construído em 1983, no

Arizona, para aquecimento de tanques eletrolíticos em uma companhia de processamento de cobre, com 5.580 m2 de coletores. Esse sistema alcançou temperaturas maiores que 260 °C;

v  Em 1983, a companhia Southern California Edison (SCE) assinou um acordo comercial com a Luz International Ltd. para comprar energia das primeiras duas plantas de potência com energia solar térmica que deveriam ser construídas no deserto de Mojave, Califórnia. Essas plantas, chamadas de Solar Electric Generating System (SEGS) I e II, entraram em operação nos anos 1985 e 1986. Posteriormente, novos contratos foram firmados entre as duas companhias que resultaram na construção das plantas SEGS III a SEGS IX. No início, a potência de cada planta foi limitada a 30 MW, subindo posteriormente para 80 MW. Essas nove plantas totalizam 354 MW.

24

SEGS

Planta solar SEGS III – SEGS VII, localizadas na Califórnia, EUA.

25

SEGS

26

Concentradores de calha parabólica v  As plantas SEGS continuam em operação até hoje e foram importantes como

experiência de projeto e operação;

v  Nova expansão da capacidade instalada de plantas de potência utilizando concentradores de calha parabólica aconteceu somente à partir de 2007, quando entrou em operação a Nevada Solar One, em Nevada, com capacidade de 64 MWe;

v  Na Europa, a primeira planta comercial, Andasol I, está gerando eletricidade desde dezembro de 2008 e está localizada na província de Granada, no sul da Espanha, com capacidade de 50 MWe. Em 2009 a planta Andasol II, com a mesma capacidade, entrou em operação. A outra planta, Andasol III, também com a mesma capacidade, entrou em operação em setembro de 2011.

27

Concentradores de calha parabólica v  Essas unidades foram as primeiras plantas comerciais a utilizar grande

armazenamento térmico. O múltiplo solar é igual a 2. O calor pode ser armazenado para atender a 7,5 h de carga total. No verão, as plantas podem operar quase 24 h/dia. Em termos de área de concentradores é considerada a maior planta do mundo.

* Com irradiação solar máxima de 1000 W/m2

v  Em função das perdas térmicas, plantas sem armazenamento térmico possuem múltiplos solares entre 1,1 a 1,5 enquanto que plantas com armazenamento térmico podem chegar 3,5.

2

2

m ,nominal capacidade na turbinaumaalimentar para necessária abertura de áream solar, campo do abertura de área(SM)solar Múltiplo

∗=

28


29

Andasol

v  Eficiência óptica de aproximadamente 70% (eficiência pico) e de aproximadamente 50% em media anual.

v  Eficiência da planta: 28% (eficiência pico) e 15% em média anual;

v  Fator de concentração igual a 8;

v  Temperatura de operação: 400 °C.

30

Andasol

31

Andasol

32

Andasol

33

Andasol

34

Andasol

35

Andasol

v  Dois tanques por planta utilizando uma mistura de nitratos: 60% de NaNO3 e 40% de KNO3.

v  Os tanques operam à pressão atmosférica, medindo 14 m de altura e 36 m de diâmetro. A faixa de operação dos tanques é de 290 °C (frio) e 390 °C (quente) ;

v  O armazenamento permite operar a turbina mais 7,5 h;

v  No final da vida da planta, os nitratos serão cristalizados e removidos no seu estado bruto para uso na agricultura, por exemplo.

36

Concentradores de calha parabólica v  Além de produção de eletricidade, concentradores de calha parabólica podem

ser utilizados para fornecer calor de processo para uso industrial, na faixa de 150 a 250 °C. Hoje existem diversas empresas produzindo concentradores para essas aplicações, cujo tamanho é menor do que os utilizados para geração de eletricidade.

v  Em uma indústria farmacêutica, no Cairo, Egito, foi instalada uma planta com 1.330 kW de capacidade, com 1.900 m2 de área de coletores, produzindo vapor a 173 °C e pressão de 8 bar.

37

Concentradores de calha parabólica v  Por exemplo, uma empresa italiana, Soltigua, produz concentradores para essas

aplicações. Uma das instalações, operando desde dezembro de 2014 na cidade de Forlì (Forlì Città Solare), é utilizada para aquecimento distrital. Possui 2.800 m2 de área de coletores, com capacidade de 1,4 MW, na temperatura de 175 °C.

38


39

Concentradores formadores de imagem: lineares v  O concentrador de calha parabólica ou cilindro parabólico possui uma seção

transversal cujo formato é uma parte de uma parábola ou melhor ainda é uma seção simétrica de uma parábola em torno de seu vértice.

v  Esse concentrador apresenta uma linha focal que consiste de pontos focais de cada seção transversal da parábola. A radiação que entra com raios paralelos ao plano óptico é refletido de tal forma que passa através da linha focal.

v  Todos os raios que entram paralelamente ao plano focal da parábola, independentemente de onde atingem o refletor, são refletidos ao ponto focal F.

241 xf

y =

onde f é a distância focal, isso é, a distância entre o vértice da parábola e o ponto focal.

40

Concentradores formadores de imagem: lineares v  Quatro parâmetros descrevem geometricamente um concentrador calha

parabólica: comprimento da calha, distância focal, largura da abertura (ou somente abertura), definida como a distância entre uma borda até a outra e o ângulo de borda.

41

Concentradores formadores de imagem: lineares v  O comprimento da calha é um parâmetro de projeto, não necessitando outras

definições.

v  A distância focal f é a distância entre o ponto focal e o vértice da parábola, sendo um parâmetro que determina completamente a parábola, conforme a equação anterior.

42

v  O ângulo de borda, ψ, é o ângulo formado entre o eixo óptico e a linha entre o ponto focal e a borda do espelho. Esse parâmetro determina a forma da seção transversal da parábola.

v  Dois dos três parâmetros (ângulo de borda, abertura e distância focal) são suficientes para definir a seção transversal da parábola (forma e tamanho). Dessa forma:

Concentradores formadores de imagem: lineares

Nessa figura, a é a abertura da parábola.

ψ

16164 amentealternativou

811

22 ++−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=ψψ

ψtantanf

a

fa

fa

tan

43

Concentradores formadores de imagem: lineares v  A figura abaixo representa a relação a/f em função do ângulo de borda, ψ.

ψ

v  Para qualquer ponto do refletor parabólico, o raio local do espelho é dado por:

φcosfrr +

=12

φ

44

Concentradores formadores de imagem: lineares v  O ângulo de borda, ψ, não deve ser muito pequeno nem muito grande, uma vez

que está relacionado às distâncias das diferentes partes do espelho. Para uma abertura fixa, estas relações são apresentadas na figura abaixo:

45

Concentradores formadores de imagem: lineares v  Se o ângulo de borda for muito pequeno, o espelho será muito estreito,

diminuindo a irradiância projetada no absorvedor;

v  Se o ângulo for muito grande, o caminho percorrido pelos raios projetados pelas partes extremas do espelho será muito longo, aumentando a dispersão (aberração) desses raios em torno do absorvedor, diminuindo a relação de concentração. Isso acontece porque o Sol não é uma fonte pontual de radiação, como visto anteriormente;

v  Essa situação torna-se mais importante ao considerar que o espelho não é perfeito, havendo incertezas em sua curvatura e no alinhamento do espelho durante o processo de montagem;

v  Em ângulos elevados, as partes extremas do espelho apresentam uma contribuição baixa em termos de produção de energia em relação à área do espelho. Ou seja, o concentrador é mais caro mas esse incremento de custo não melhora seu desempenho energético;

v  Geralmente ψ está em torno de 80°. A maioria dos concentradores atuais utiliza uma abertura de 6 m e a distância focal correspondente a esses dois parâmetros de 1,75 m.

46

Concentradores formadores de imagem: lineares v  O feixe de radiação mostrado na figura abaixo incide no refletor no ponto B, na

borda, onde o raio do espelho é máximo em rr. O ângulo de borda ψ é descrito por AFB.

v  O ângulo de borda define qual o desvio angular de um raio, com relação a uma linha reta normal ao plano de abertura da parábola, que o espelho consegue refletir para o tubo absorvedor. Este valor é menor nas extremidades da parábola. A precisão do sistema de rastreamento precisa ser superior a este ângulo, caso contrário haverá uma grande parcela da radiação refletida que não atingirá o tubo absorvedor.

ξ

47

Concentradores formadores de imagem: lineares v  Outras implicações do ângulo sólido do Sol: v  A distância entre o espelho e o absorvedor é diferente para cada ponto do

espelho. A maior distância está na borda do espelho, como mostrado na figura abaixo. Dessa forma pode ser estabelecida uma relação entre o ângulo de borda e o diâmetro do tubo absorvedor.

v  O diâmetro do absorvedor é, consequentemente:

ξ

ξsenrdr=

2onde d é o diâmetro do tubo absorvedor, ξ é o semiângulo de abertura do Sol e rr a distância entre o tubo absorvedor e a borda do espelho.

ξsenrd r2=

48

v  Alternativamente, o diâmetro pode ser expressado com relação à abertura do concentrador e o ângulo de borda, como:

que resulta em:

que é válida para espelhos perfeitos e o ângulo de incidência da radiação solar é zero. Para outras situações de incidência, a equação acima deve ser dividida pelo cosθ, resultando em (isso é, o diâmetro do absorvedor deverá ser maior):


ψsenarr 2

=

ψξ

sensenad ⋅

=

ψξ

θ sensena

cosd ⋅=

1

49

Concentradores formadores de imagem: lineares v  Além disso, se o espelho possuir imperfeições, o diâmetro deverá ser um pouco

maior do que o calculado pelas equações anteriores. Nesse caso, poderia ser definido um ângulo de dispersão, ϖ, como mostrado na figura abaixo, de tal forma que a dispersão total seja igual a:

v  O ângulo de dispersão, ϖ, está em torno de 0,84°.

ϖξ +2

2ξ+ϖ

2ξ E o diâmetro do tubo absorvedor seria calculado como:

ψ

ϖξ

θ sen

sena

cosd

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ +⋅

=2

21

50

Concentradores formadores de imagem: lineares v  Além dos parâmetros lineares vistos anteriormente, relações de área também

são importantes. v  A área de abertura, para uma dada radiação direta (DNI) e em uma dada posição

do Sol, determina a quantidade de radiação capturada. Assim:

v  A área da superfície dos espelhos pode ser determinada pela equação:

A derivação dessa equação pode ser encontrada em: Günther, M. et al., Parabolic trough tecnhology (Capítulo 5), DLR, Alemanha, s.d.

laAap ⋅=

lfa

falnf

faaA

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛++++= 2

2

2

2

161

42

161

2

51

v  O fator de concentração, C, é importante, principalmente, para a estimativa das temperaturas de trabalho do concentrador. É definida como a relação entre a densidade de fluxo radiante na linha focal (que é idêntica à imagem do Sol, Gim) e a irradiância direta normal na abertura do coletor, Gb,ap, conforme a equação abaixo:

v  Essa equação é de difícil quantificação uma vez que a irradiância do Sol é diferente em cada posição de sua imagem. Nesse caso, Gim deve ser determinada em um ponto dentro da linha focal, a fim de determinar a relação de concentração nesse ponto específico.

v  Outra forma, como referida anteriormente, é trabalhar com uma relação de concentração média, de fácil determinação, chamado do relação de concentração geométrica, CG, definida como a relação entre a área de abertura do coletor e a área de abertura do receptor (absorvedor):

ap,b

imGGC =


r,ap

c,apG A

AC =

52

Concentradores formadores de imagem: lineares v  A definição de área de abertura do coletor é bastante clara mas a do absorvedor

não. Em muitos casos, a área projetada do tubo absorvedor é escolhida. Nesse caso, essa área é dada pelo retângulo:

onde d é o diâmetro do tubo do absorvedor.

ldA r,ap ⋅=

d

53

Concentradores formadores de imagem: lineares v  Assim, a relação de concentração é dada por:

v  A máxima relação de concentração para esses coletores é de 107,7. Em sistemas reais, utilizando a definição de área projetada do tubo absorvedor, passa a 82.

v  Outra possibilidade é utilizar a área da superfície irradiada do absorvedor como área de abertura do receptor, conforme a equação abaixo:

v  Nessa consideração, é levado em conta que o tubo do absorvedor também recebe a irradiação direta do Sol além da parte refletida pelo espelho. Esse cálculo conduz a valores de relação de concentração é inferior à primeira equação.

da

ldlaCG =⋅

⋅=

da

ldlaCG ⋅

=⋅⋅

⋅=

ππ

Mais utilizada

54

v  Os refletores de coletores cilindro parabólicos representam aproximadamente 30% do custo do coletor, entretanto, uma vez que o custo da estrutura do coletor está diretamente relacionada ao custo dos refletores, estes podem representar até 75% do custo total dos coletores.

v  Os refletores empregados são de três tipos: espelhos de vidro, chapas de alumínio de alta refletividade e películas adesivas espelhadas.

v  Os mais utilizados em grandes centrais de geração termoelétrica são os de

vidro com baixo teor de ferro, onde o material refletor é a prata. Os espelhos de vidro possuem alta refletividade, ρ > 93,5% e grande durabilidade, mesmo após operação de plantas com mais de 10 anos.

v  A curvatura dos vidros é feita a quente. Alguns fabricantes conseguem obter um fator de precisão geométrica de 99,9% (fator de interceptação), para cada espelho individual, na reflexão da radiação direta para o absorvedor, para tubos de 70 mm de diâmetro (os mais utilizados). Para tubos com diâmetro de 40 mm, esse fator cai para 99,5%.

v  A empresa Flabeg fabrica espelhos refletores com erros de inclinação menores que 0,132°.


55

Concentradores formadores de imagem: lineares v  O espelho é formado por várias camadas de diferentes materiais. A primeira

camada abaixo do vidro é a camada reflexiva, isso é, a prata, em função de suas excelentes propriedades reflexivas no espectro da radiação solar.

v  Uma camada protetora de cobre é aplicada próxima à camada de prata, com a adição de vernizes epóxi, em três camadas, sendo a primeira e a segunda contendo um percentual de chumbo.

56

Concentradores formadores de imagem: lineares v  A espessura total fica em torno de 4 a 5 mm.

57

Concentradores formadores de imagem: lineares v  Outros materiais. Nos anos 1990s o NREL desenvolveu um filme polimérico com

recobrimento de prata, cujo nome comercial é ReflecTech. Esse filme pode ser aplicado sobre qualquer superfície lisa e não porosa e é construída de múltiplas camadas de polímeros. São testadas desde 2002, nas SEGS, sem apresentar até hoje decréscimo significativo de suas propriedades reflexivas.

v  No entanto, ainda não foram utilizadas em plantas comerciais.

v  A empresa Alanod oferece um espelho com superfície aluminizada, consistindo de uma camada reflexiva de alumínio, uma camada anodizada atrás e na frente e uma camada protetora.

58

Concentradores formadores de imagem: lineares v  Entretanto, a refletividade do alumínio na faixa de comprimentos de onda do

espectro solar é levemente inferior à da prata, em torno de 90%, conforme a figura abaixo:

59

Concentradores formadores de imagem: lineares v  A estrutura mecânica de um concentrador de calha parabólica tem a função de

suporte dos espelhos na posição correta, fornecer estabilidade ao conjunto, principalmente devido as cargas de vento e permitir o seguimento exato da posição solar.

v  Qualquer desvio da posição correta dos espelhos implica na diminuição da eficiência óptica do sistema.

60


61


62

Concentradores formadores de imagem: lineares v  O concentrador deverá seguir o Sol a fim de obter uma concentração contínua da

radiação solar direta. O concentrador linear, tal como o de calha parabólica, tem um eixo de seguimento.

v  O eixo de giro está normalmente situado no vértice da parábola ou em uma posição paralela, logo abaixo dele.

63

v  Para os coletores CCP que possuem rastreamento solar em apenas um eixo, com orientação norte-sul e posicionados na horizontal com seguimento contínuo, o ângulo de incidência θ é calculado por:

onde θz é o ângulo de azimute do Sol, δ é a declinação solar e ω é o ângulo horário, todos em graus. O ângulo de seguimento, s, definido como o ângulo formado entre o plano óptico e o vetor vertical do zênite, é dado por: onde γ é o ângulo de azimute da superfície e γs é o ângulo de azimute solar.


( ) 21222 ωδθθ sincoscoscos z +=

( )sz costanstan γγθ −=

s

64

Concentradores formadores de imagem: lineares v  O ângulo de incidência da radiação, θ, em coletores cilindro parabólicos,

varia conforme o dia do ano devido à declinação solar, δ, e também com a hora do dia.

v  Nas plantas SEGS a exatidão do sistema de seguimento é garantida para velocidades do vento de até 9 m/s. A operação da planta é possível até velocidades de vento entre 16 a 20 m/s, mas com redução da exatidão do seguimento e com perdas da eficiência óptica.

v  A incerteza no sistema de seguimento deve ser menor que 0,1°.

v  Durante a noite em condições ambientais desfavoráveis, os coletores são trazidos até a posição de segurança, que é na condição vertical com leve inclinação dos espelhos para baixo.

65

v  O sistema de rastreamento solar é responsável por movimentar o sistema de modo a estar sempre na orientação correta em relação ao sol. Geralmente utiliza-se o sistema de coordenadas calculadas associadas com sensores ópticos.

v  Para a movimentação são utilizados motores elétricos com reduções ou pistões hidráulicos.


66

v  O elemento absorvedor é formado por um tubo metálico, localizado no foco da parábola, por onde escoa o fluido de trabalho. É envolvido por um tubo de vidro, concêntrico ao tubo metálico, sendo que o espaço anular formado é evacuado. Este vácuo suprime a convecção entre os dois tubos, reduzindo as perdas térmicas para o ambiente.

v  O tubo do absorvedor possui um recobrimento seletivo que confere alta absortividade da radiação no espectro solar e uma baixa emissividade de radiação infravermelha.

v  Os recobrimentos seletivos mais utilizados são compostos por material do tipo cermet, uma mistura de cerâmica com metal e são depositados na superfície do tubo pelo processo sputtering ou deposição física de vapor (PVD).

v  A absortividade de radiação no espectro solar chega a ser maior que 95,5% a 400 °C e a emissividade de radiação térmica infravermelha é menor que 9,5%.

v  Atualmente os absorvedores são projetados para trabalhar com temperaturas entre 400 °C, quando utilizando óleos térmicos ou até 580 °C para vapor ou sais fundidos.


67

v  Os recobrimentos obtidos por PVD sofrem grande degradação a altas temperaturas quando em contato com o ar, por isso alto vácuo é necessário no espaço entre os dois tubos. O recobrimento seletivo deve ser barato e de fácil fabricação, além de ser estável se exposto ao ar a temperaturas elevadas, em caso de perda do vácuo.

v  Superfícies seletivas para tubos absorvedores são feitas com cermet , uma combinação de material cerâmico (cer) e material metálicos (met). Primeiro há uma camada reflexiva feita a base de metal, que é altamente reflexivo para a radiação na região do infravermelho (cobre, alumínio ou molibdênio). A segunda cobertura é de cermet, que consiste de óxidos (Al2O3 ou SiO2) e um metal (molibdênio). Por fim, uma camada antireflexiva, consistindo de óxidos (Al2O3 ou SiO2).


68

v  O tubo de vidro, geralmente de borossilicato, deve possuir alta transmissividade. Para isto eles possuem um tratamento anti-reflexivo nas superfícies interna e externa. Nos tubos de vidro mais modernos a transmissividade chega a ser próxima de 96,5% para a radiação no espectro solar. Recobrimentos anti-reflexivos permitem uma baixa refletividade do vidro, aumentando em até 0,04 o valor da transmissividade.

v  Atualmente, o vácuo entre os tubos permite que somente uma parcela muito

pequena de gás residual esteja presente, entre ≤ 10-3 mbar até ≤ 10-4 mbar.

v  O “getter” é uma substância usada para remover gás residual em um tubo evacuado.


69


70

v  Como o vidro e o metal possuem coeficientes de dilatação térmica diferentes, existe uma união vidro-metal que deve permitir um pequeno movimento relativo entre eles e ao mesmo tempo garantir a vedação para manter o vácuo. A concentração da radiação solar nestas uniões causa uma acelerada degradação das mesmas, fazendo com que estas percam o vácuo ou com que o tubo de vidro se quebre. Este é o tipo de falha mais comum e uma grande fonte de despesas adicionais com reposição como também pela diminuição da performance dos absorvedores trabalhando sem vácuo.

v  O sistema de juntas utilizados para a união entre os tubos de vidro é mostrada na figura abaixo.


71

Concentradores formadores de imagem: lineares v  Fluidos de transferência de calor: sua função é acumular a energia térmica na

passagem do concentrador e transportar esse calor até o bloco de potência. v  O transporte de calor pode ser através de um fluido térmico especial ou

diretamente pela geração de vapor no tubo absorvedor (DSG – Direct Steam Generation).

v  Nas plantas que operam com um fluido térmico, a transferência de calor desse fluido para a água (do ciclo de Rankine) se dá através de um gerador de vapor (ou recuperador), que consiste de um economizador, um evaporador e um superaquecedor.

v  Nas plantas que operam com geração direta de vapor (DSG) o pré-aquecimento, a geração de vapor e o superaquecimento acontecem dentro do campo solar.

72

Concentradores formadores de imagem: lineares v  O fluido de transferência de calor deve ser líquido, com elevada temperatura

de vaporização sob pressões manejáveis (ou seja, não vaporiza na temperatura de operação da planta), baixa temperatura de congelamento e boa estabilidade térmica.

v  Além disso, deve apresentar elevada capacidade térmica, elevada condutividade térmica e baixa viscosidade.

v  E, finalmente, baixo custo, disponibilidade, baixa inflamabilidade, baixa explosividade e ambientalmente adequado.

73

Concentradores formadores de imagem: lineares v  Plantas mais antigas utilizavam óleo mineral. Atualmente, óleos sintéticos são

os mais utilizados. v  Óleos térmicos sintéticos são misturas eutéticas, isso é, misturas onde a

proporção dos seus constituintes é selecionada de tal forma que existe um ponto de fusão único onde todos os constituintes de fundem ao mesmo tempo.

v  Esses óleos permanecem líquidos até aproximadamente 12 °C, com elevado calor específico.

v  No entanto, apresentam temperatura máxima de operação de aproximadamente 400 °C (acima há o craqueamento do óleo), limitando a operação da planta em 370 °C atualmente (baixando a eficiência do bloco de potência).

v  Apresenta problemas de envelhecimento, necessitando trocas periódicas. v  Caro!!! Pode representar até 5% do custo total da planta. v  E devido às altas pressões de vapor na temperatura de operação da planta, não

pode ser utilizado como meio de armazenamento.

74

v  A sujeira acumulada nos espelhos, principalmente poeira, reduz a refletividade em torno de 2% ao dia, sendo necessário fazer a limpeza dos mesmos periodicamente, geralmente com água deionizada.

v  Com relação à limpeza, os espelhos de vidro apresentam a grande vantagem em relação aos outros tipos pois após a limpeza a refletividade retorna ao valor original, enquanto os outros apresentam desgastes.


75

Planta solar SEGS VI

76

Planta solar SEGS VI

v  O campo solar da SEGS VI é composto por 50 voltas de 16 conjuntos de coletores cada, distribuídas em duas fileiras paralelas, como mostrado na figura:

v  O comprimento de cada volta de coletores é de aproximadamente 794 m, dividido em duas filas, com um comprimento efetivo de espelhos de aproximadamente 754 m. O sistema de rastreamento solar de cada SCA funciona no sentido leste para oeste, alinhados no eixo norte sul. Em operação nominal a temperatura do fluido térmico na saída do campo solar é de 390 oC.

77

Planta solar SEGS VIII e IX

Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Solar Termica/Aula_9_2017... · conforme mostrado na...

Documents

Transcript of Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Solar Termica/Aula_9_2017... · conforme mostrado na...