Campo Solar

O campo solar é a fração coletora de calor da central, que consiste numa ou mais linhas de conjuntos de coletores solares (SCA), com cada loop disposto em paralelo.

Assim, um tubo coletor comum fornece cada loop com uma taxa de fluxo de fluido de transferência de calor (HTF) igual, e um segundo tubo recebe o HTF quente e envia-o diretamente para o ciclo de potência para se produzir energia ou para o sistema de armazenamento de energia térmica, em que pode ser utilizado mais tarde.

Para minimizar as perdas de pressão de bombeamento, o campo é normalmente dividido em múltiplas secções, cada secção com o seu próprio conjunto de tubos coletores e o ciclo de potência está situado a meio do campo solar. Na Figura 3.2. está representado um possível arranjo do campo solar, em que este se encontra dividido em duas seções de coletores. Cada loop contém 8 SCAs individuais, e cada parte dos coletores está conectada a dois loops - um na parte superior e um na parte inferior da figura.

Dentro de cada loop, uma série de SCAs são utilizados para aquecer gradualmente o HTF até à temperatura de saída do projeto. Cada SCA é composto por uma série de coletores parabólicos e os seus recetores em série compartilham uma unidade de rastreamento única e comum. Cada SCA é tratado como um nó de cálculo independente dentro do loop e a

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energia absorvida, as perdas, a temperatura, a queda de pressão e outros valores de desempenho são calculados de forma independente para cada SCA.

Figura 3.2 Um possível arranjo do campo solar, dividido em duas seções de coletores.

A Figura 3.3 representa a estrutura nodal do loop, em que cada SCA funciona como um nó autónomo, e permite vários tipos de recetor/coletor e ainda esquemas de desfocagem especificados pelo utilizador.

Figura 3.3A estrutura nodal do loop (esquerda);Tipos de recetor/coletor - A e B (centro); Esquemas de desfocagem específicos (direita).

67 · Balanço Energético em cada nó

Um modelo típico do recetor no estado estacionário determina o aumento da temperatura através do nó i (οܶ_௜), em que Tin,i é a temperatura de entrada do HTF nos coletores, e Tout,i

é a temperatura de saída do HTF para o bloco de potência. Assim, considerando a energia absorvida (ݍሶabs) , a taxa do fluxo de massa do HTF através do recetor (݉ሶhtf) e o calor

específico do HTF (chtf) é possível calcular o balanço de energia para o nó i, como

representado na equação (1).

(1)

No entanto, no caso da tecnologia PTC, a inércia térmica associada ao estado de energia do nó pode afetar o desempenho e os termos temporários devem ser incluídos.

O efeito transitório mais significativo no campo solar é a massa térmica do HTF nos tubos coletores e na tubagem do recetor, por isso é necessário considerar a variação de energia do HTF na derivação das equações do balanço de energia. A Figura 3.4 representa as trocas de energia num recetor de um SCA, em que o volume de controlo contém o HTF dentro dos tubos absorventes e da tubagem para um único SCA.

Figura 3.4 Balanço de energia nos recetores de um SCA.

O balanço de energia acima mostra um tubo recetor com fluxo de entrada, fluxo de saída, energia absorvida (a absorção líquida é positiva, a perda líquida é negativa) e um termo de energia interna (డ௎

డ௧ǡ ܶതሻ. Os fluxos de calor (ݍሶ) são funções da taxa de fluxo em massa

(

݉ሶ

do fluido. A temperatura nodal média (ܶത) é igual à média das temperaturas de entrada e saída do nó de cálculo, uma vez que o aumento de temperatura através do nó é assumido

68 como linear. O termo de energia interna (డ௎

డ௧) representa a variação de energia do nó em

função do tempo (t).

A equação (2) expressa o balanço de energia nos recetores de um SCA representado na Figura 3.4.

(2)

Na equação (2), m é a massa do HTF contido no nó, L é o comprimento de um único SCA, e cht f é o calor específico do HTF. Um termo de inércia térmica adicional (mc) bal,sca é

incluído para assegurar a massa térmica das tubagens, juntas, isolamento e dos restantes componentes SCA que interferem termicamente com o HTF.

O termo (mc) bal,sca.L é equivalente ao termo de capacitância do HTF m.cht f, mesmo que

seja introduzido no modelo como um único valor. Este termo é dimensionado para representar a quantidade de energia térmica por metro de comprimento do coletor necessário para aumentar a temperatura do nó de um grau K. As unidades de entrada são

Wt-h/m-K, mas o valor é convertido no código para unidades de J/m-K.

A equação (3) expressa o balanço total de energia no volume de controlo:

(3)

Os fluxos de calor de entrada e saída podem ser expressos como:

(4)

Substituindo a equação (4) e a definição do termo de energia interna na equação do balanço energético (2) e, resolvendo o primeiro diferencial o resultado é:

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A equação (5) é uma equação diferencial linear de primeira ordem, em que a solução geral é apresentada na equação (6).

(6)

Esta equação tem uma constante C1 que pode ser determinada pela aplicação de uma

condição de fronteira. Nessa situação, sabemos que a temperatura nodal média ܶത=ܶത0 no

instante de tempo inicial quando t = 0 e definimos ܶത0 como a temperatura ܶത no final do

tempo anterior (a temperatura média é ܶത = (Tout + Tin)/2). Assim, resolvendo a constante

desconhecida C1:

(7)

Por fim, substituímos a constante C1 na solução geral de modo a encontrar a equação final

(8) para a temperatura de saída para cada SCA.

(8)

Esta equação é aplicada a cada nó, i, no loop, onde Tin,i é igual à temperatura de saída do

nó anterior no loop, Tout, i-1. Visto que a temperatura calculada para cada nó, depende tanto

da temperatura de entrada do nó anterior como da temperatura do nó do instante anterior, estes valores devem ser estabelecidos como condições de fronteira.

A temperatura do nó, no intervalo de tempo anterior, é armazenada passo a passo e a temperatura de entrada é definida como a temperatura de saída do nó anterior para cada um, mas no primeiro nó do circuito para satisfazer esses requisitos.

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