RESERVATÓRIOS TÉRMICOS

Entre as diversas opções de armazenamento térmico disponíveis, este estudo adota o armazenamento em óleo mineral (ganho de calor sensível) com sistemas de dois reservatórios e também com sistemas de um único reservatório estratificado.19 _{Embora o armazenamento em óleo}

mineral não se adeque aos requisitos de alta temperatura de grandes usinas, a temperatura máxima de operação do coletor solar compacto IST-PT, adotado neste estudo, já se encontra abaixo do limite típico de um óleo mineral. Um outro motivo para a adoção de armazenamento de calor diretamente no fluido térmico reside no fato de que sistemas de armazenamento mais complexos geralmente exigem a implantação de um controle eficaz para a carga e a descarga do sistema, o que está fora do escopo deste estudo. Nos experimentos da planta solar de Willard, por exemplo, tubulações e controles inadequados provocavam uma

19 Os conceitos de armazenamento térmico são discutidos na Seção 2.3. A escolha do óleo mineral específico é descrita na Seção 6.13.

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operação instável do ciclo de Rankine pelas variações no fornecimento de fluido térmico entre o campo de coletores e o reservatório (FENTON et al., 1984). De fato, para usinas com ciclos de Rankine orgânicos, devido às temperaturas mais baixas de operação, Price e Hassani (2002) sugerem o armazenamento em um fluido térmico barato como o Caloria HT 43 com um sistema simples de dois reservatórios, semelhante ao sistema de armazenamento térmico inicialmente implantado na usina SEGS I. Em todas as situações, adota-se como reservatório um ou dois vasos cilíndricos montados na posição vertical.

6.3.1 VOLUMEDEARMAZENAMENTO

O armazenamento térmico em uma usina heliotérmica com fonte exclusivamente solar pode assumir três funções: suavizar os efeitos de radiação intermitente, aumentar o período total de despacho de energia elétrica ou simplesmente atrasar o período de despacho em relação ao período de captação da radiação solar. Na ocorrência de radiação inter­ mitente por períodos curtos, um reservatório pequeno pode evitar que o ciclo de potência gere energia elétrica com baixa eficiência devido à frequente operação da turbina com carga parcial e em modo transiente, caso não haja uma fonte complementar de energia (PILKINGTON, 2000). O deslocamento do despacho é interessante porque permite que a energia elétrica seja gerada em horários do dia em que a demanda costuma ser maior. Para o dimensionamento do volume de fluido térmico destinado ao armazenamento de calor, tomam-se como referência os valores típicos de horas de operação em carga total apresentados por Pilkington (2000), os quais são reproduzidos na Tabela 6.1. Os valores variam de acordo com a função destinada ao armazena­ mento.

Tabela 6.1: Valores típicos de tempo de operação em carga total para o dimensionamento de armazenamentos térmicos com diferentes funções.

Função do armazenamento térmico Tempo de operação_{em carga total [h]} Suavização de efeitos transientes 1 (máximo) Deslocamento do período de despacho 3-6 Aumento do período de despacho 3-12

Fonte: Pilkington (2000).

Considerando-se a vazão de fluido térmico requerida pelo ciclo de Rankine na condição nominal (2,010 kg/s) e a massa específica do

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fluido Xceltherm 600 a 210°C (736,4 kg/m³), obtém-se um volume de aproximadamente 10 m³ para cada hora de armazenamento. Dessa forma, opta-se por utilizar neste estudo volumes desde 10 m³ (para suavização de efeitos transientes) até 90 m³ (para aumento do período de despacho).

6.3.2 ISOLAMENTOTÉRMICO

Para o cálculo das perdas térmicas em todos os reservatórios de fluido térmico, tanto nos sistemas com dois reservatórios quanto nos sistemas com reservatório estratificado, leva-se em conta somente a resistência térmica imposta por uma camada de isolante com espessura uniforme nas laterais, na base e no topo do reservatório. Com base nas informações apresentadas por Larson (1987) sobre a planta solar de Coolidge, adota-se fibra de vidro como material isolante e considera-se uma espessura de isolamento de 0,3 m. A condutividade térmica da fibra de vidro para a temperatura de 300 K é obtida das tabelas de proprie­ dades de Incropera et al. (2007).

6.3.3 SISTEMASCOMDOISRESERVATÓRIOS

Nesses sistemas, utiliza-se para a modelagem de cada reserva­ tório o módulo TYPE 39, o qual se encontra disponível pela biblioteca padrão do TRNSYS. O módulo considera um reservatório completa­ mente misturado (temperatura uniforme) e permite a variação do volume de fluido em seu interior. Mais especificamente, o nível de fluido dentro do reservatório varia sempre que a vazão na sua entrada difere da vazão na sua saída, desde que o reservatório não se encontre totalmente cheio ou totalmente vazio. Para o fator de forma do reservatório, definido como a razão entre o diâmetro e a altura, toma-se como referência as dimensões dos sistemas de dois reservatórios considerados por Herrmann et al. (2004) e adota-se o valor de 1,4.

6.3.4 SISTEMASCOMUMRESERVATÓRIOESTRATIFICADO

Nesses sistemas, utiliza-se para a modelagem do reservatório o módulo TYPE 4, o qual se encontra disponível pela biblioteca padrão do TRNSYS. O módulo considera um vaso contendo um volume de fluido constante (completamente cheio) e permite a estratificação térmica do fluido em seu interior. Adota-se um total de dez nós uniformemente espaçados ao longo de sua altura para que se leve em conta os efeitos da

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estratificação. Em relação à entrada do fluido aquecido no reservatório, existem dois modos de operação: com entrada fixa e com entrada variável. Com entrada fixa, o fluido aquecido é introduzido sempre no topo do reservatório. Com entrada variável, o fluido é introduzido no nível mais próximo de sua temperatura. Os dois modos de operação diferem apenas em relação à entrada do fluido quente. O restante do modelo mostra-se idêntico. Para o fator de forma do reservatório, definido como a razão entre o diâmetro e a altura, toma-se como referência as dimensões do reservatório estratificado descrito por Larson (1987) e adota-se o valor de 0,28.