Armazenamento de energia térmica em lagoas solares

O gradiente de salinidade de uma lagoa solar é um mecanismo propício ao armazenamento de energia solar. Em virtude de ter integrado os sistemas de armazenamento de energia térmica, este fenómeno pode ser aproveitado independentemente do tempo e estação do ano.

Uma lagoa solar é uma massa de água com aproximadamente 2 metros de profundidade que atua como um retentor de calor, sendo que à água é adicionado sal para que nas camadas inferiores a salinidade seja maior, enquanto nas camadas superiores a salinidade seja menor. Normalmente o gradiente de temperaturas num

Armazenamento de Energia Térmica Através de Materiais de Mudança de Fase

tanque de água é dado por água mais quente no topo do que na base, no caso do lago salino o gradiente de temperatura é ao contrário, tem a temperatura mais alta na base do lago, onde se encontra a maior

Estes são normalmente cheios de água fresca e limpa para assegurar a máxima penetração de luz solar, o fundo é escurecido para adsorver mais radiação e é adicionado sal para manter a água mais densa no fundo e inibir a convecção natural.

Há três regiões distintas nas lagoas: camada superficial superior, camada gradiente

convectiva inferior, figura 31

Figura 31: Esquema das três secçõe

A zona superficial é uma camada de baixa salinidade ou água fresca que funciona como um coletor solar. Na zona intermédia a concentração e a temperatura aumentam com a profundidade, constituindo uma zona de isolamento térmico pois se o gradiente de salinidade for

armazenamento, onde tanto a temperatura como concentração são constantes. A energia proveniente do sol que atinge a superfície inferior e é absorvida apenas pode escapar por condução. Como a condutivida

gradiente é substancial, o calor sobe desde a camada inferior muito lentamente.

Para a extração da energia armazenada na camada inferior, a água quente é removida continuamente por ação de uma bomba,

evaporador e regressa para ser aquecida novamente Goutham e Krishna, 2013).

A acumulação de energia nestas lagoas s economicamente viável em cli

e o sal estejam facilmente disponíveis. Tem vantagens como: • Aproveitamento da radiação difusa, ou seja,

capturada energia solar difusa que será retida na camada mais inferior da • É um procedimento não poluente;

Armazenamento de Energia Térmica Através de Materiais de Mudança de Fase

tanque de água é dado por água mais quente no topo do que na base, no caso do lago salino o gradiente de temperatura é ao contrário, tem a temperatura mais alta na base do lago, onde se encontra a maior concentração de sal.

Estes são normalmente cheios de água fresca e limpa para assegurar a máxima penetração de luz solar, o fundo é escurecido para adsorver mais radiação e é adicionado sal para manter a água mais densa no fundo e inibir a convecção natural.

ões distintas nas lagoas: camada superficial – zona convectiva superior, camada gradiente – zona não convectiva, camada armazename

31.

: Esquema das três secções existentes numa lagoa solar (Energy e Office, 2007

superficial é uma camada de baixa salinidade ou água fresca que funciona como um coletor solar. Na zona intermédia a concentração e a temperatura aumentam com a profundidade, constituindo uma zona de isolamento térmico pois se o gradiente de salinidade for grande não há convecção. A zona inferior é a zona de armazenamento, onde tanto a temperatura como concentração são constantes. A energia proveniente do sol que atinge a superfície inferior e é absorvida apenas pode escapar por condução. Como a condutividade térmica é relativamente baixa e a espessura da camada gradiente é substancial, o calor sobe desde a camada inferior muito lentamente.

Para a extração da energia armazenada na camada inferior, a água quente é removida continuamente por ação de uma bomba, passa por um permutador de calor ou evaporador e regressa para ser aquecida novamente (Cao, 2010; Dinçer e Rosen, 2011

.

A acumulação de energia nestas lagoas solares de gradiente salino pode ser em climas amenos e em locais onde os grandes terrenos, a água e o sal estejam facilmente disponíveis. Tem vantagens como:

Aproveitamento da radiação difusa, ou seja, mesmo nos dias em que há nuvens é capturada energia solar difusa que será retida na camada mais inferior da

É um procedimento não poluente;

Armazenamento de Energia Térmica Através de Materiais de Mudança de Fase

45

tanque de água é dado por água mais quente no topo do que na base, no caso do lago salino o gradiente de temperatura é ao contrário, tem a temperatura mais alta na base do Estes são normalmente cheios de água fresca e limpa para assegurar a máxima penetração de luz solar, o fundo é escurecido para adsorver mais radiação e é-lhes adicionado sal para manter a água mais densa no fundo e inibir a convecção natural.

zona convectiva zona não convectiva, camada armazenamento – zona

Energy e Office, 2007).

superficial é uma camada de baixa salinidade ou água fresca que funciona como um coletor solar. Na zona intermédia a concentração e a temperatura aumentam com a profundidade, constituindo uma zona de isolamento térmico pois se o grande não há convecção. A zona inferior é a zona de armazenamento, onde tanto a temperatura como concentração são constantes. A energia proveniente do sol que atinge a superfície inferior e é absorvida apenas pode escapar por de térmica é relativamente baixa e a espessura da camada gradiente é substancial, o calor sobe desde a camada inferior muito lentamente.

Para a extração da energia armazenada na camada inferior, a água quente é passa por um permutador de calor ou Dinçer e Rosen, 2011; olares de gradiente salino pode ser e em locais onde os grandes terrenos, a água nos dias em que há nuvens é capturada energia solar difusa que será retida na camada mais inferior da água;

Armazenamento de Energia Térmica Através de Materiais de Mudança de Fase

46

• 1 kg de sal consegue disponibilizar três vezes mais energia do que a mesma quantidade de carvão queimada numa camara de combustão;

De seguida vão ser referidas algumas das aplicações do armazenamento de energia térmica em lagoas solares (Saifullah et al., 2012).

1) Aquecimento e arrefecimento de edifícios: Devido à sua grande capacidade de

armazenamento térmico na zona inferior oferece utilidade ideal para aquecimento mesmo estando a elevada altitude e em dias muito nublados.

2) Produção de eletricidade: Uma lagoa solar pode gerar eletricidade sendo motor

de arranque de um dispositivo termoelétrico ou de um ciclo de Rankine – a água quente resultante do armazenamento é usada para evaporar um fluido de trabalho orgânico, usado posteriormente para alimentar uma turbina e produzir eletricidade.

3) Processos industriais: A energia térmica é utilizada diretamente na preparação e

tratamento de materiais e mercadorias fabricadas na indústria. O calor proveniente das lagoas solares é altamente competitivo com gás natural e petróleo.

4) Dessalinização: Processo que consiste em remover sal e outros minerais da

água, tornando-a própria para consumo e para sistemas de rega. Este processo poderá ser interessante em locais onde a água potável é escassa e a água salgada existe em abundância.

5) Aquecimento de abrigos para animais e secagem de culturas: Calor pode ser

utilizado de diversas maneiras em quintas que possuam largos terrenos para criação de lagoas solares, como exemplo podem apresentar-se as estufas e os celeiros de animais. 6) Calor para conversão de biomassa: Este sistema pode providenciar calor para

conversão de biomassa em álcool ou metano. É uma ideia atraente para conjugação de duas tecnologias de energia renovável, no entanto, nenhuma lagoa solar foi testada para este efeito.

Armazenamento de Energia Térmica Através de Materiais de Mudança de Fase

47

5. Armazenamento de calor latente

5.1. Introdução

A transferência de calor que ocorre quando uma substância muda de fase tem por nome calor latente. A troca de calor latente é usualmente muito maior do que a troca de calor sensível de um meio de armazenamento, facto diretamente relacionado com o calor específico deste, e a gama de temperaturas de operação é menor no armazenamento de calor latente pelo facto da interação de calor nestes sistemas ocorrer a temperatura constante.

De entre as mudanças de fase existentes com libertação ou absorção de calor, as mais apropriadas para os sistemas de armazenamento de energia térmica são as sólido- líquido, líquido-gás e sólido-sólido. De entre estes três tipos de materiais de mudança de fase (PCMs), os PCMs sólido-sólido raramente são adequados para armazenamento térmico em edifícios; os PCMs líquido-gás sofrem uma grande variação de volume devido à diferença entre os intervalos moleculares nos gases e nos líquidos; assim, em geral os PCMs sólido-líquido são os mais requeridos para aplicações do dia-a-dia.

Para serem utilizados em aplicações reais, os materiais de acumulação de um sistema de armazenamento de calor latente têm critérios térmicos, físicos, cinéticos, químicos e económicos a cumprir, descritos abaixo na tabela 5.

Armazenamento de Energia Térmica Através de Materiais de Mudança de Fase

48

Tabela 5: Requerimentos dos PCMs utilizados em aplicações reais (Sharma et al., 2009; Cao, 2010).

Requerimentos dos PCMs utilizados em aplicações reais

Térmicos

• Temperatura de transição adequada

• Elevada capacidade para armazenamento de calor latente durante o processo de mudança de fase

• Características atraentes de transferência de calor

Físicos

• Baixa variação de volume durante o processo de transição • Baixa pressão de vapor

• Alta densidade

• Fase de equilíbrio favorável

Cinéticos • _• Refrigeração limitada ou inexistente _{Taxa de cristalização suficiente}

Químicos

• Estabilidade química

• Compatibilidade com o recipiente • Não tóxico

• Isento de risco de incêndio

Económicos

• Abundância de recursos • Disponível para aplicação • Rentável para grande produção

A alta densidade de armazenamento de energia diretamente relacionada com o alto calor latente por unidade de volume possibilita que mais calor seja armazenado com menos material, ocupando menos espaço nos edifícios, e a elevada condutividade térmica acelera a transferência de calor, auxiliando na carga e descarga. Além disso, na medida em que as temperaturas de fusão dos materiais de mudança de fase são diferentes, deve ser tido em conta isso na escolha do material, para que a sua temperatura de fusão seja relativa à temperatura de utilização e da fonte de calor de cada sistema.

A estabilidade de fase durante a congelação ou fusão contribui para a acumulação de calor e a alta densidade permite um menor tamanho do recipiente de armazenamento. Já a baixa variação de volume na fase de transformação e a baixa pressão de vapor à temperatura de operação reduzem os problemas de armazenamento.

A refrigeração sempre foi um aspeto problemático no desenvolvimento dos materiais de mudança de fase, em particular os sais hidratados. O arrefecimento intenso, chamado sobrearrefecimento, de mais do que 5 a 10 °C, interfere com uma extração apropriada do calor do armazenamento.

Os materiais de mudança de fase podem sofrer degradação pela perda de água por hidratação, decomposição química e incompatibilidade com os materiais de construção. A alta estabilidade química permite que os materiais de mudança de fase consigam lidar com grandes oscilações de temperatura e mais variadas condições de armazenamento. Devem ser não tóxicos, não inflamáveis e não explosivos para não representarem um perigo para os habitantes ou para as propriedades, e não-corrosivos para serem mais facilmente armazenados e não necessitarem de recipientes e armazenamento especiais ou permutadores de calor.

Armazenamento de Energia Térmica Através de Materiais de Mudança de Fase

Baixo custo e grande disponibilidade são duas caraterísticas

por tornarem os sistemas mais atrativos para os proprietários e possibilitarem a obtenção da substância aquando da instalação inicial e sempre que for necessária a sua substituição, respetivamente. Outra particularidade relevante requeri

mudança de fase é uma vida útil longa, pois apresentam pouca ou nenhuma degradação após um grande número de ciclos de fusão.

A nível ambiental é essencial que sejam recicláveis, pois não sendo o seu tempo de vida infinito, é importante

acabarem o ciclo de vida. Os construtores devem ter em consideração qual o ciclo de vida e como eliminar os materiais quando expirar o seu tempo de vida útil.

Há três tipos de materiais de mudança de fase na categoria dos sólido PCMs orgânicos, PCMs inorgânicos e PCMs eutéticos, caraterizados na maior detalhe em subgrupos.

parafinas, os inorgânicos são compostos pelos sais hidratados

são uma composição exata de duas ou mais substâncias que têm um ponto de fusão mais baixo do que uma composição com diferentes quantidades das substâncias, sendo inorgânico-inorgânico, inorgânico

Cao, 2010; Dinçer e Rosen, 2011

Figura 32: Classificação dos materiais de