Vegetarian Chili - Parenting in Ottawa

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Fundamentos de Engenharia Solar
Coletores concentradores
Prof. Dr. Racine T. A. Prado
Coletores Concentradores
• os principais coletores concentradores podem ser
classificados como a seguir:
• Coletor de Calha Parabólica (PTC);
• Refletor Linear de Fresnel (LFR);
• Prato Parabólico;
• Torre Central.
Coletor de Calha Parabólica
Torre central
Refletor
Linear de
Fresnel
Coletor de
Prato
Parabólico
Classificação dos sistemas solares de
acordo com as temperaturas
• Baixa - até 100 C;
• Média - até 400 C;
• Elevada - acima de 400 C.
Reddy et al, 2013
Coletores concentradores - terminologia
• Coletor: sistema completo, incluindo receptor e
concentrador;
• Receptor: componente do sistema onde a radiação
direta é absorvida e convertida em outra forma de
energia (inclui absorvedor pp.,coberturas associadas e
isolamento);
• Concentrador ou sistema ótico: parte do coletor
que dirige a radiação direta para o absorvedor;
• abertura do concentrador: entrada da radiação.
Concentração
Rendimento do sistema
𝑠𝑖𝑠𝑡 = ó𝑡 × 𝑟𝑒𝑐 × 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 × 𝑎𝑟𝑚 × 𝑐𝑜𝑛𝑣
com as abreviações significando:
• Sistema
• Ótico
• Receptor
• Transporte
• Armazenamento
• conversão
Coletores Concentradores - paradoxo
• a eficiência do coletor diminui com o aumento
da temperatura de operação;
• a eficiência da máquina térmica aumenta com
sua temperatura de operação.
• a radiação é oticamente concentrada antes de ser
transformada em calor;
• a concentração pode ser obtida por reflexão ou
refração da radiação solar por meio de espelhos ou
lentes;
• a radiação refletida ou refratada é concentrada em
uma zona focal, aumentando o fluxo de energia no alvo.
Concentração ótica
𝐺𝑟
𝐶ó𝑡 =
𝐺
onde:
Gr: irradiação na superfície do receptor;
G: irradiação incidente.
Lovegrove, 2012
Concentração geométrica
𝐴𝑐
𝐶𝑔 =
𝐴𝑟
onde:
Ac área de abertura do coletor;
Ar: área de abertura do receptor.
Concentração geométrica
Meio ângulo subtendido pela radiação solar:
𝑠 =
sin−1
𝑟
= 0,27° ≅ 4, 7𝑚𝑟𝑎𝑑
𝑅
Concentração
Coletores circulares (tridimensionais):
Cmax = 45.000
Coletores lineares (bidimensionais):
Cmax = 212
Concentração
Reflexão em cones de raios
Lovegrove, 2012
Concentração
Calha parabólica com refletor perfeito
𝑥2
𝑦=
4𝑓
Distância focal:
𝑊
𝑓=

4𝑡𝑔 𝑅
2
rr
Raio de borda:
2𝑓
𝑟𝑟 =
1 + 𝑐𝑜𝑠𝑅
Ângulo de borda:
Lovegrove, 2012
𝑊/2
4𝑓𝑊/2
𝑡𝑔𝑅 =
= 2
𝑓 − 𝑧𝑅 4𝑓 − 𝑊/2
2
Concentração
Refletor parabólico perfeito em alvo plano
Ângulo de
aceitação
Lovegrove, 2012
Ângulo de aceitação em PTC
Kalogirou
Concentrações máximas
Derivada da concentração em relação a R para a
calha parabólica :
𝑑𝐶𝑔
𝑑𝑅
=0
𝑅 = 0, 45, 90…
• Com máximo em R = 45, ângulo de aceitação s = 4,65
mrad, resulta em Cg  108 com receptor plano.
• Para calha e receptor cilíndrico, Cg  68,5.
• Para o prato parabólico, máximo R = 45, com receptor
plano ou cilíndrico, Cg  11.600.
Lovegrove, 2012
Concentração
Otimização do receptor
Lovegrove, 2012
Concentração
Refletor parabólico perfeito em alvo de seção
transversal circular
d
𝑑 = 2𝑟𝑟 𝑠𝑒𝑛 𝑠
𝑊
𝐶𝑔 =
𝑑
Lovegrove, 2012
Concentração
Trajetória da radiação difusa ou erro de rastreamento
Barakos, 2006
Concentração
Distribuição da radiação no foco
Lovegrove, 2012
Fatores práticos redutores da concentração
: desvio padrão
• esp: erro de especularidade, (em quanto os raios refletidos seguem
a lei da reflexão, i = r), função de propriedades microscópicas da
superfície.
• sup: erro de ondulação da superfície, como desvio das normais à
superfície das direções ideais. Erros de 4 mrad são encontrados em
superfícies precisas, sendo 5 mrad usual.
• for: erro de forma, sendo o concentrador construído por partes,
estas podem ter orientação incorreta, devida à expansão térmica,
carga de vento ou liberação de tensões residuais.
• ras:erro de rastreamento, com o concentrador não apontando
diretamente para o sol
𝑡𝑜𝑡 =
2𝑒𝑠𝑝 + 2𝑠𝑢𝑝 + 2𝑓𝑜𝑟 + 2𝑟𝑎𝑠
Lovegrove, 2012
Coletores compostos e concentradores
Absorvedor tubular com
refletor posterior difuso
Concentrador parabólico
Absorvedor tubular com
cúspides refletoras especulares
Refletor de Fresnel (ou
refrator)
Absorvedor plano
com refletores planos
Fileira de heliostatos
com receptor central
Duffie; Beckman
Coletores Parabólicos Compostos (CPC)
diferentes absorvedores
com refletor involuto
Kalogirou
Coletores Parabólicos Compostos (CPC)
• os lineares são mais
Usual// coberto
práticos;
• absorvedores de forma
variada;
Trecho
parabólico
• orientação do eixo ao
longo N-S ou L-O;
• estacionários ou
rastreadores.
Trecho circular
Kalogirou
Concentração e Temperatura do receptor
Eficiência de
coleta entre
40 e 60%
Perdas térmicas =
energia absorvida
Duffie; Beckman
Coletor de Tubo Evacuado (ETC)
• princípio de supressão da
convecção;
• eficiência mais elevada com
pequenos ângulos de
incidência;
• desenvolvimento de ciclo de
evaporação-condensação do
fluido de trabalho (p.ex.,
metanol).
Kalogirou
Tubo evacuado  Sistema linear concentrador
• tubo absorvedor cilíndrico (receptor);
• concentrador linear.
25  comprimento  150 m
Schottsolar
Sistemas Solares Térmicos de Potência
Esquema básico
IEA, 2011
Ciclos
Turbinas a vapor – Rankine
Orgânico de Rankine (ORC)
Turbinas a gás - Brayton
Motor de Stirling
Lovegrove, 2012
Esquema híbrido solar e GN
 Ciclos combinados de Rankine e Brayton
Kalogirou
Sistemas Solares de Potência
Métodos de geração
Reddy et al. 2013
Ciclo Rankine
Turbinas a vapor com
geração mais recomendada
de 250 MWe, pressão
acima de 10MPa e
temperatura até 700 C.
Rino, G
Lovegrove, 2012
Ciclo Orgânico de Rankine (ORC)
• Sistemas pequenos – alguns MWe;
• O&M elevados;
• Adequado para baixas temperaturas;
• Cloreto de metila, tolueno, R-11, R-113 e
R-114.
Lovegrove, 2012
Turbinas a gás - ciclo Brayton
• Fluido de trabalho: ar,
hidrocarbonetos, combustível de
avião, Diesel, GLP, biogás.
• Temperaturas antes da
expansão da ordem de 1000 C.
• Elevada eficiência: > 50%.
Lovegrove, 2012
Geração de energia elétrica com motor de
Stirling
Consiste em câmaras em diferentes temperaturas que
aquecem e arrefecem um gás de forma alternada,
provocando expansões e contrações cíclicas, o que faz
movimentar êmbolos ligados a um eixo comum. Fluidos
de trabalho: hidrogênio, hélio e ar.
?
wikipedia
Motor de Stirling – pequenas aplicações
dezenas de kWe
Desempenho de Sistemas Solares Concentradores
Kalogirou
Coletor de Calha
Parabólica (PTC)
Fraunhofer
Solar Energy Generating System (SEGS)
• Anos 1980: instalados nove sistemas parabólicos no
sul da Califórnia;
• potências instaladas entre 14 MWe e 80 MWe,
totalizando 354 MWe;
• sistemas híbridos, com auxílio de gás natural;
• Custos da energia entre US$ 90 e US$ 280 por
MWh;
• substituição de espelhos de vidro por folhas
circulares de filme plástico aluminizado.
CERPCH
googlemaps
Detalhes
Kalogirou
Wikipedia
Detalhes
• espelhos parabólicos;
• reflectância,  = 94% (para espelhos simples,  = 70%);
• espelhos são rastreadores ao longo do dia (eixo N-S);
• a causa de rompimento dos vidros é o vento;
• substituição de 3.000 vidros/ano;
• operadores podem acionar protetores durante ventanias;
• há mecanismo de lavagem automática dos vidros.
Wikipedia
Coletor de Calha Parabólica (PTC)
Nevada, 64 MWe
Shottsolar
Plantas Valle 1 y Valle 2:
• 50 MWe de potência cada uma;
• campo solar de 510.000 m2 de colectores;
• sistema de armazenamento de calor com sais fundidos
que, permite fornecer energia elétrica até 7 horas na
ausência de radiacão solar.
Torresol Energy
Parâmetros de projeto do coletor Eurotrough-150
Moya, 2012
• tecnologia mais consolidada de coletores térmicos
para produção de energia elétrica;
• maior planta é a Solar Electric Generating System
encontra-se na Califórnia, com 354 MWe instalados;
• em segundo lugar, está a Plataforma Solar de Almeria,
com 1,2 MWe;
• superfície refletivas podem ser obtidas com vidro
refletivo ou material adesivo (vida útil de 5 - 7 anos).
Coletor Concentrador Rastreador Solar
• dispositivo ótico entre a fonte de radiação e
a superfície absorvedora;
• fluido de trabalho a temperaturas mais elevadas do que o
do coletor plano;
• eficiência térmica mais elevada;
• área do receptor menor em relação à área de coleta dos
FPC, viabilizando economicamente o tratamento de
superfície e vácuo;
• exigência de rastreamento torna-o mais complexo.
Coletor com refletores adicionais
Teste comparativo
Fraunhofer
• atinge temperaturas entre 50 e 400 ºC;
• o princípio de fabricação é a conformação de uma
superfície refletiva à forma parabólica;
• o eixo pode ser orientado N-S rastreando o sol L-O, ou
vice-versa;
• horizontal N-S coleta
mais radiação no verão
e menos no inverno e o
contrário para L-O.
Kalogirou
Coletores concentradores – rastreamento solar
Coletor de um eixo
Osman
• modos controle de rastreamento:
• mecanismos que empregam motores controlados
eletronicamente por calendário;
• mecanismos que empregam motores controlados
por computador com malha de controle fechado
alimentada por sensores de radiação solar.
Sensor LDR (Light Dependent Resistor) -
resistor cuja resistência varia conforme a
intensidade de radiação eletromagnética do
espectro visível que incide sobre o mesmo.
Material: sulfeto de cádmio (CdS) ou seleneto de cádmio (CdSe).
Wikipedia
AttributesSpecifications
De um eixo horizontal
Sun Flower Energy
• Surface Area 215 s.f.;
• Tracking Axis Single Axis
Automatic Tracking (East West);
• Maximum Angle 40-degree
in both directions;
• Drive Design (Actuators)
DC 24V ;
• 4.5 mm/sec ;
• Wind load resistance 90
mph;
• Wind Protection optional;
array automatically stows at 0°
at pre-programmed wind speed;
• Control Method calendar &
timer (open-loop);
• Weight 770 lbs.
De dois eixos
Sun Flower Energy
Detalhes de componentes
Sun Flower Energy
25  comprimento  150 m
Schottsolar
Detalhes técnicos do receptor
Tubo receptor
Cobertura de
vidro
Schottsolar
• precisão ótica dos espelhos;
• vidros do receptor de elevada transmitância (borosilicato,
p.ex.) e baixa reflectância;
• superfície do absorvedor de elevada absortância e baixa
emitância no IV (300 – 400 ºC).
Detalhes técnicos do receptor
Absortância e emitância
Tipo de material da
Absortância
camada de tratamento da
Solar 
superfície
Tungstênio dentítrico
0,96
Silício sobre Prata
Níquel Negro
Cromo Negro
Cromo Negro sobre
níquel prateado
ZrNy sobre prata
Emitância
Solar 
0,26
Fator de
Desempenho
/
3,7
0,76
0,90
0,98
0,93
0,06 (773 K)
0,08 (573 K)
0,19 (573 K)
0,19 (573 K)
12
11
5,1
4,8
0,85
0,03 (600 K)
24
Fernandes, Guaronghi
CC – desempenho térmico
Coeficiente de perda de calor por convecção e radiação
na superfície do receptor e por condução na estrutura
de suporte
Coeficiente de convecção, hw:
v*
Re 
v
Para fluxo de ar cruzado com tubo em ambiente
externo, segundo McAdams apud Duffie; Beckman:
Coeficiente de radiação:
onde:
: constante de Stefan – Boltzmann,  = 5,6697 * 10-8
W/m2 * K4;
: emissividade para a superfície absorvedora;
T: temperatura média para radiação (K).
Coeficiente de radiação do tubo de cobertura para o
ambiente, hr:
Coeficiente de radiação entre o tubo receptor
(absorvedor) e o tubo de cobertura, hr, c - a:
ℎ𝑟,𝑟−𝑐
𝑇22 + 𝑇12 𝑇2 + 𝑇1
=
1 − 1
1
1 − 2 𝐴1
+
+
1
𝐹12
2 𝐴2
Não há transferência por convecção entre o tubo
receptor e o tubo de cobertura através do espaço
evacuado. Assim, o Coeficiente Global será:
hw
hr, c-a
hr, r-c
Com a estimativa de UL, verifica-se a temperatura da
cobertura, estimada de 50 ºC:
que fornece um valor de Tc se for necessária mais uma
iteração.
Sistema linear concentrador – desempenho térmico
• considerando gradientes de temperatura no receptor,
o desenvolvimento é semelhante ao de coletores
planos, mas com geometria particular;
• a resistência de transferência de calor da superfície
externa do tubo receptor para o fluido no tubo interno
deve considerar a parede do tubo.
Sistema linear concentrador
– desempenho térmico
onde:
U0: transmitância térmica baseada baseada no diâmetro
externo do tubo receptor;
Di e Do : diâmetros interno e externo do tubo receptor;
hfi : coeficiente de transferência de calor para dentro do
tubo;
k: condutibilidade do material do tubo.
Ganho Útil de Energia por unidade de comprimento,
expresso em termos da temperatura do receptor e do ar
ambiente
Ganho Útil de Energia por unidade de comprimento,
expresso em termos da temperatura do receptor e do
fluido.
eliminando Tr
onde F’ é o Fator de eficiência do coletor.
Recordando, F’, num local específico, representa a relação entre o
ganho de energia real e o ganho de energia que resultaria se o receptor
estivesse à mesma temperatura do fluido local.
de onde vem o ganho útil de calor do coletor :
sendo FR o Fator de Remoção de calor do coletor.
Recordando, FR é um fator que relaciona o ganho de energia útil real de
um coletor com o ganho útil se toda a superfície do coletor estivesse à
temperatura de entrada do fluido.
Fator de vazão do coletor, F’’
O Fator de vazão do coletor é função unicamente da
taxa de capacitância do coletor:
Temperatura de saída do fluido (To)
𝑄𝑢
𝑇𝑜 = 𝑇𝑖 +
𝑚 × 𝐶𝑝
onde:
Ti: Temperatura do fluido na saída do coletor (C);
Qu: ganho útil de calor do coletor (W);
m: vazão de fluido no coletor (kg/s);
Cp : calor específico do fluido de trabalho (kJ/kg C).
CC – desempenho ótico
A energia absorvida por unidade de área da abertura
não sombreada do coletor, S, é dada por:
onde:
: fator de interceptação, definido como a fração da radiação refletida que incide
na superfície de absorção do receptor;
: transmitância da cobertura do receptor;
: absortância do absorvedor para a radiação refletida e transmitida;
K : modificador do ângulo de incidência (considera desvios da radiação
incidente na abertura em relação à normal). Mais detalhes: Duffie;Beckman,
cap.7.
Refletor Linear de Fresnel (LFR)
Fresnel
Mills, 2012
As fileiras de tiras lineares de espelhos concentram
a radiação em um receptor linear.
Lentes e Refletores de Fresnel
a) Lentes poliméricas focam
os raios solares em um
receptor pontual;
b) Tiras de espelhos
lineares concentram a
luz em receptor linear ou
em torre.
Kalogirou
Fresnel - características:
• refletores rotacionam para rastrear o sol;
• atinge concentração de 35 sóis na faixa central do
receptor.
Abbas et al, 2013
• absorvedor fixo;
• refletores planos ou elasticamente curvados;
• problema com sombreamento.
Receptor com face para baixo
Kalogirou
Espaçamento e orientação para reduzir sombreamento
Kalogirou
Mills
Detalhes
Mills, 2012
Receptor de tubo único
Mills, 2012
Receptor com vários tubos
Mills, 2012
Refletor de Prato Parabólico (PDR)
Consiste em coletor com foco em um ponto, onde se
encontra o receptor, com rastreamento solar em dois
eixos.
Kalogirou
Refletor de Prato Parabólico (PDR)
• atinge temperaturas acima de
1500 ºC;
• é o tipo de coletor mais eficiente;
• possui concentração entre 600 e
2000, sendo adequado para
absorção de energia térmica e
geração de potência;
Apud Costa, Fábio S
Inovações tecnológicas
Z20 features two 11m2
collectors, mounted on a
dual axis tracker that
concentrates incoming
solar power onto a
receiver.
The receiver consists of a multi junction PV coupled to heat exchanger that converts
concentrated solar flux into electrical power (A) and thermal power (B).
(A) DC electrical power from the PV cells is converted to AC power
and fed to the grid.
(B) Thermal energy is pumped through a closed loop system to the
various users and applications
 Combined Heat and Power (CHP) generation; combined efficiency of >72%
Inovações tecnológicas
Featuring
• 2 – axis high precision tracking mechanism with zero backlash,
using performance feedback-driven, closed loop that continually
positions the mirrors for maximum effectiveness
• State-of-the-art high efficiency Multi-Junction PV cells
• Engineered high efficiency multi-channel
heat exchanger
• Designed for 20 year service, constructed from highly durable
materials
• Environmentally friendly, 99% recyclable by weight
• Reliable operation, easy installation and servicing
• Required minimal area, only 70-90m2 for a single Z20 unit,
15.5kWp combined output (<6m2/kWp)
• Packaged equipment, minimizing balance-of-system cost
Inovações tecnológicas: Zenithsolar Z20
Inovações tecnológicas: Zenithsolar Z20
Torre central
Torresol Energy
O sistema de conversão de potência consiste de um
gerador de vapor e turbina, com acessórios, que
convertem energia térmica em eletricidade e alimentam a
rede.
Gemasolar - Espanha
Torre central
Princípio: emprega
segmentos de espelhos
levemente côncavos nos
heliostatos para direcionar
grandes quantidades de
energia para cavidade de
um gerador de vapor, em
altas pressão e
temperatura.
Kalogirou
Torre central - vantagens
• coletam energia solar oticamente, minimizando o
transporte de energia;
• atingem concentrações entre 300 e 1500 e são muito
eficientes, tanto na coleta como na conversão da
energia em eletricidade;
• podem armazenar energia;
• são muito grandes (acima de 10 MW), beneficiando-se
da economia de escala.
Torre central - armazenamento
K
Kalogirou
Torre central – parâmetros geométricos e óticos
de parque de heliostatos (Jodhpur e Delhi)
50 Mwe steam
power plant
Rankine cycle
Grace apud Reddy et al, 2013

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