OPERAÇÃO DO CAMPO

As seções anteriores limitaram-se à questão do desempenho térmico e analisaram apenas um coletor solar isoladamente. No entanto, em um campo com diversos coletores, surgem outros fenômenos que devem ser considerados, como é caso do sombreamento entre fileiras paralelas. Além disso, para que se represente corretamente o funciona­ mento do campo de coletores ao longo de um ano, é preciso considerar questões operacionais, como é o caso do controle de acionamento das bombas e dos dispositivos de segurança. Para que se incluam no modelo essas características relacionadas à operação dos coletores, toma-se como referência o código do módulo do campo de calhas parabólicas que está disponível para o software TRNSYS através da versão 3.0 da biblioteca STEC (SCHWARZBÖZL, 2006).

3.3.1 PERDASPELASEXTREMIDADES

Ocorrem perdas ópticas pelas extremidades de uma fileira de coletores sempre que a radiação solar não incide perpendicularmente

64 3 Modelagem do campo de coletores

sobre a abertura dos coletores, uma vez que parte do tubo receptor passa a não receber a radiação refletida pelo espelho concentrador. A Figura 3.3 ilustra o fenômeno com o objetivo de esclarecer a causa dessas perdas. Neste modelo, leva-se em conta a redução de área com radiação incidente através do fator de perdas ópticas pelas extremidades, o qual pode ser calculado em função do ângulo de incidência pela expressão:

fponta=1−tan 

Lfoco

Lfileira

(3.21) onde Lfoco é a distância focal do coletor (igual a 0,762 m para o coletor

IST-PT) e Lfileira é o comprimento da fileira de coletores. Segundo o

fabricante do coletor IST-PT, uma fileira pode conter até 8 elementos. Uma vez que cada elemento possui 6,1 m, o comprimento de uma fileira pode atingir aproximadamente 50 m. O valor do fator fponta deve ficar

restrito entre 0 (sem incidência de radiação) e 1 (sem perdas). A dedução da Equação 3.21 reduz-se a um problema de geometria bastante simples, conforme exposto por Lippke (1995).

Figura 3.3: Perdas pelas extremidades.

3.3.2 SOMBREAMENTO

Usualmente o campo de coletores é montado em fileiras paralelas. Dessa forma, dependendo da posição do Sol no céu, existe a possibilidade de uma fileira projetar sombra sobre as fileiras adjacentes. Para o caso de rastreamento com eixo na direção norte-sul, por exemplo, todos os coletores ficam voltados para leste durante o nascer do Sol. Nessa situação, apenas a fileira mais a leste recebe radiação, enquanto que as demais permanecem sombreadas. Ao longo da manhã, o sombreamento diminui progressivamente até desaparecer por completo quando se atinge um ângulo crítico para a altura solar. Durante grande

3 Modelagem do campo de coletores 65

parte do dia, os coletores recebem radiação em toda a sua área de abertura. O sombreamento reaparece apenas no fim da tarde quando o ângulo de altura solar torna-se baixo novamente. A Figura 3.4 ilustra o fenômeno para a condição com sombreamento parcial. Neste modelo, leva-se em conta essa redução de área com radiação incidente através do fator de perdas por sombreamento, o qual pode ser calculado em função do ângulo de incidência e do ângulo de zênite solar pela expressão:

fsombra=

Lespaço

w

cosz

cos (3.22)

onde Lespaço é a distância do espaçamento entre as fileiras paralelas

(centro a centro), w é a largura de abertura do coletor (igual a 2,3 m para o coletor IST-PT) e z é o ângulo de zênite solar. Segundo o fabricante

do coletor IST-PT, o espaçamento típico entre fileiras apresenta distâncias entre 5,5 m (18 pés) e 6,1 m (20 pés). O valor do fator fsombra

deve ficar restrito entre 0 (sem incidência de radiação) e 1 (sem perdas). A dedução da Equação 3.22 reduz-se a um problema de geometria, o qual é exposto detalhadamente por Stuetzle (2002).

Figura 3.4: Perdas por sombreamento.

Quando se adota a Equação 3.22, pressupõe-se que o campo de coletores apresente um arranjo retangular. Finalmente, para que se leve em conta o fato de que a primeira fileira do campo (no sentido da incidência da radiação) nunca se encontra sombreada, o fator de perdas por sombreamento pode ser corrigido por meio da seguinte expressão:

fsombra'=

1 nfileiras−1fsombra

nfileiras

66 3 Modelagem do campo de coletores

onde fsombra' é o novo fator de perdas por sombreamento, o qual descon­

sidera o sombreamento na primeira fileira, e nfileiras é o número de fileiras

do campo de coletores.

3.3.3 ACIONAMENTODOCAMPOEDISPOSITIVOSDESEGURANÇA

Segundo o fabricante do coletor IST-PT, o sistema de controle do campo monitora a radiação direta normal, a velocidade do vento, além da pressão e de temperaturas do sistema. Se a radiação medida é sufici­ entemente intensa para as condições de operação e se todos os parâmetros estão dentro dos intervalos de segurança, a bomba é acionada. Em seguida, logo que a vazão é detectada, os coletores iniciam o rastreamento do Sol. Se as temperaturas sobem além do limite de operação, desativa-se o campo de coletores,10 _{exigindo-se aciona­}

mento manual. Com base nas informações dadas por Dudley (1995), impõe-se durante a simulação da planta um limite de operação de 300°C, uma vez que o material da cobertura absorvedora do coletor não é recomendado para uso prolongado com temperaturas muito acima desse valor. Adicionalmente, segundo o fabricante, deve-se garantir que não se reduza a vazão abaixo de um limite mínimo para que se evite uma transferência de calor deficiente da parede do tubo para o fluido térmico. Caso contrário, um aquecimento desigual poderia curvar os tubos pelo efeito de dilatação térmica. Adota-se para a simulação da planta uma vazão mínima com base em um valor aproximado de 1,2 m³/h por circuito. Além disso, o fabricante informa que o campo de coletores opera completamente automatizado, possivelmente sem acompanhamento humano. Price e Hassani (2002) confirmam que os campos de calhas parabólicas da IST são operados remotamente e exigem mínimos requisitos de manutenção.

3.3.4 ASPECTOSDESCONSIDERADOS

Segundo Patnode (2006), as bombas de fluido térmico nas usinas SEGS continuam operando à noite com uma vazão bastante reduzida para que se evite o choque térmico dos coletores durante a partida no dia seguinte. Com base nesse fato, o modelo de coletor solar da biblioteca STEC considera uma redução gradual de vazão durante o processo de desativação do campo de coletores até que se atinja uma determinada

10 Desativar o campo de coletores significa desalinhar o coletor em relação ao Sol (retirar do foco) e desligar as bombas de fluido térmico do campo.

3 Modelagem do campo de coletores 67

vazão mínima, a qual se mantém durante todo o período noturno. No entanto, com base nas orientações do fabricante do coletor IST-PT, esses procedimentos não são considerados neste modelo.

O modelo da biblioteca STEC inclui alguns fatores de perda que levam em conta a degradação do desempenho do campo de coletores ao longo de sua vida útil por problemas como quebras de espelhos e falhas no sistema de rastreamento. Porém, admite-se neste modelo perfeito estado de conservação para todo o campo, com a exceção da degradação de desempenho pela deposição de sujeira, a qual é levada em conta por meio do fator de perdas ópticas por sujeira.

Segundo Lippke (1995), a Equação 3.10 para a eficiência do coletor, a qual independe da velocidade do vento, é adequada para coletores que possuam envoltório transparente. Observa-se que o vento exerce forte influência em coletores com os tubos absorvedores expostos. Neste modelo, uma vez que se trabalha sempre com o envol­ tório transparente, desconsidera-se a influência do vento em termos de eficiência térmica. Desconsidera-se o vento também em termos de segurança. O único mecanismo de segurança adotado neste modelo consiste na comparação da temperatura de saída do coletor com um determinado limite máximo. Desativa-se o campo quando se ultrapassa esse limite de operação.

Estruturas de coletores concentradores tipicamente são proje­ tadas para suportarem cargas de vento até velocidades entre 15 e 20 m/s durante a operação normal do campo. Os espelhos geralmente são rotacionados até a posição de descanso para resistirem a ventos com velocidades maiores (DUFFIE; BECKMAN, 2006). Nas usinas SEGS, os espelhos são movidos para a posição de segurança quando a velocidade do vento supera aproximadamente 16 m/s (COHEN et al., 1999). O desprezo da interrupção na operação dos coletores devido ao vento é justificado tomando-se como referência a base de dados meteo­ rológicos de um ano típico utilizada na simulação da planta. Para as três localidades consideradas neste estudo,11 _{a velocidade do vento ultrapassa}

o limite de 15 m/s em poucos momentos ao longo do ano: 14 horas para Bom Jesus da Lapa, 6 horas para Petrolina e 3 horas para Fortaleza.

Por último, não se computa dentro deste modelo nenhum consumo parasita de energia elétrica pelos componentes do campo de coletores. O consumo parasita, discutido na Seção 6.14, é calculado externamente a este modelo para as bombas de fluido e para os motores

11 A seleção das localidades e a base de dados utilizada são descritas na Seção 6.12.

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do sistema de rastreamento. Além disso, não se computa nenhuma perda térmica além da perda do coletor considerada em sua equação de efici­ ência. As perdas de calor pelas tubulações e pelo vaso de expansão, quando significativas, também devem ser calculadas externamente a este modelo.