Coletores térmicos de concentração

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Coletores térmicos de concentração

2

º.

_{semestre, 2015}

Coletores concentradores

Para muitas aplicações é desejável fornecer energia a temperaturas maiores que aquelas possíveis com coletores planos;

Uma das possibilidades é através da diminuição da área na qual as perdas térmicas ocorrem. Isso é feito interpondo um dispositivo ótico entre a fonte de radiação e a superfície absorvedora de energia. Menores absorvedores correspondem à menores perdas térmicas quando comparados aos coletores planos operando na mesma temperatura do absorvedor;

Os concentradores podem ser divididos em: (a) não formadores de imagem (ou anidólicos) ou formadores de imagem. Além disso podem ser divididos em refletores ou refratores; ou em convexos, planos e côncavos, ou com ou sem cobertura; e ainda com seguimento ou estático.

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(a) Absorvedor tubular com refletor difuso de fundo, (b) absorvedor tubular com refletor especular, (c) receptor plano com refletores planos, (d) concentrador cilindro parabólico (ou calha parabólica), (e) refletor Fresnel, (f) campo de heliostatos com torre central.

Relação de concentração

Existem duas definições de relação (ou fator) de concentração. A

primeira delas é geométrica, que é a mais utilizada para sistemas

de concentração térmicos, definida por:

r a geo

A

A

C

C

=

=

onde A

_a

é a área de abertura e A

_r

é a área do receptor. Outra

definição que pode ser empregada é chamada de relação de

concentração de fluxo, definida como a razão entre o fluxo de

radiação na abertura em relação ao fluxo de radiação no

absorvedor, conforme:

a flux

I

I

C

=

5

Relação de concentração

A relação de concentração tem um limite superior que depende se a

concentração é tridimensional (concentradores circulares ou paraboloides) ou bidimensional (linear) tal como em um concentrador de calha parabólica. Como mostrado por Rabl (1976), baseado na 2ª. Lei da Termodinâmica aplicada a uma transferência de calor por radiação entre o Sol e o receptor, conforme mostrado na figura abaixo:

onde θsé o semi-ângulo de aceitação (ângulo de aceitação é 2θsi.é, a faixa angular sob a qual todos ou quase todos os raios são aceitos pela abertura do concentrador, sem movimentá-lo). Ver derivação em Duffie e Beckman (2006).

Ar

Aa

- Rabl, A. Comparision of solar concentrators. Solar Energy, v. 18, pp. 93-xx, 1976.

- Duffie, J.A., Beckman, W.A. Solar engineering of thermal process. Hoboken: John Wiley, 3ª. Ed., 2006.

Relação de concentração

A máxima relação de concentração para um concentrador 3D é dada por:

e para um concentrador 2D é dada por:

Como o raio angular do Sol é de ∆_s= 4,7 mrad (θ_s= 0,27°) a máxima

relação de concentração para concentradores circulares (3D) é de ≈

45.000, enquanto para concentradores 2D é de ≈212.

s D max,

sin

C

θ

2 3

1

=

s D max,

sin

C

θ

1

2

=

θs

7

Quanto maior é a temperatura na qual a energia deverá ser fornecida, maior deverá ser a relação de concentração e mais precisa deverá ser a ótica do concentrador e de seu sistema de orientação.

A curva “lower limit” da figura acima representa as relações de concentração na qual as perdas térmicas se igualam com a energia absorvida. Assim, valores maiores de C resultarão em ganhos úteis. A área sombreada corresponde a eficiências entre 40 e 60%, representando faixas de operação.

Relação de concentração

Na prática o ângulo de aceitação deverá ser aumentado (e, como consequência, a relação de concentração diminui) em função de:

Concentradores convencionais são baseados em sistemas óticos que se afastam muito da condição de limite termodinâmico por fatores de 2 a 4;

Erros de seguimento ou no contorno dos espelhos e no alinhamento dos receptores obrigam a trabalhar com ângulos de aceitação maiores que os do sol;

Nenhuma lente ou material de fabricação dos espelhos é perfeitamente especular, obrigando o aumento do ângulo de aceitação;

Devido aos efeitos de dispersão da radiação na atmosfera, parte significativa da radiação solar vem de outras direções do hemisfério celeste, além do disco solar.

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Concentradores não formadores de imagem - anidólicos

Como o nome diz, não produzem uma imagem claramente definida do sol no absorvedor, mas sim distribuem todas as partes do disco solar em todas as partes do absorvedor.

Um destes concentradores é chamado de CPC (compoud parabolic concentrator) ou concentrador parabólico composto. Na figura abaixo é mostrada a seção transversal de um CPC simétrico não truncado.

c i

sin

d

d

C

θ

1

2 1

₌

=

Concentradores não formadores de imagem - anidólicos

Este concentrador tem a capacidade de refletir para o receptor toda a radiação incidente na apertura, dentro do ângulo de aceitação. A radiação difusa dentro desse ângulo também é considerada útil para o concentrador.

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Um CPC ideal com um semi-ângulo de aceitação de 23,5°terá Ci= 2,51 e um

com semi-ângulo de aceitação de 11,75°, Ci= 4,91.

Este concentrador pode ser utilizado com um mínimo de ajuste de seguimento (sazonais) e por isso chamado de concentrador estático.

Concentradores não formadores de imagem - anidólicos

A figura abaixo mostra a fração da radiação incidente na abertura de um

concentrador com semi-ângulo de abertura θcem função do ângulo θ, que

atinge o absorvedor.

Nessa figura, ∆é o erro angular da superfície; (______{) CPC sem erro de superfície;}

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Concentradores não formadores de imagem - anidólicos

Na parte superior das parábolas de um CPC, as superfícies são paralelas em relação ao plano central de simetria do concentrador e, dessa forma, os refletores pouco contribuem para que a radiação alcance o absorvedor.

Assim, o concentrador pode ser truncado de uma altura h para uma altura hT,

economizando área de refletor mas sem grande impacto no seu desempenho.

Concentradores não formadores de imagem - anidólicos

Exemplos de concentradores CPC truncados:

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Concentradores tipo calha parabólica (CCP) são concentradores lineares com seção transversal parabólica. São utilizados para relações de concentração intermediárias e faixa de temperatura entre 100 até 500 °C. O absorvedor geralmente é cilíndrico e envolto por uma cobertura de tubo evacuado.

O princípio de funcionamento de um CCP baseia-se na propriedade geométrica de que um espelho parabólico reflete para o foco os raios incidentes normais ao plano de abertura da parábola. No foco da parábola localiza-se o elemento absorvedor, que recebe a radiação concentrada e transfere esta energia sob a forma de calor para um fluido de trabalho.

O fator de concentração geométrico, C pode também ser calculado pela razão entre a largura dos espelhos, w, e a circunferência do tubo absorvedor. Assim, o fator de concentração é dado por:

o

d

w

C

π

=

Concentradores formadores de imagem: lineares

o

d

w

C

=

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Concentradores formadores de imagem: lineares

A fig. abaixo mostra uma seção transversal de um coletor parabólico linear. A eq. da parábola, para o sistema de coordenadas representado na figura é dado por:

Na figura, a é a abertura do concentrador e f é o comprimento focal (distância entre o ponto focal e o vértice).

fx

y

2

=

4

Para qualquer ponto do refletor parabólico, o raio local do espelho é dado por:

φ

cos

f

r

+

=

1

2

Concentradores formadores de imagem: lineares

O feixe de radiação mostrado na fig. abaixo incide no refletor no ponto B, na borda, onde o raio do espelho é máximo em rr. O ângulo Φré o ângulo de borda

ou de aceitação, descrito por AFB, e dado por:

(

)

(

)

      =         − = − − r r _r a sin a / f a / f tan 2 1 16 8 1 2 1 Φ

O ângulo de aceitação define qual o desvio angular de um raio, com relação a uma linha reta normal ao plano de abertura da parábola, que o espelho consegue refletir para o tubo absorvedor. Este valor é menor nas extremidades da parábola. A precisão do sistema de rastreamento precisa ser superior a este ângulo, caso contrário haverá uma grande parcela da radiação refletida que não atingirá o tubo absorvedor.

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Para os coletores CCP que possuem rastreamento solar em apenas um eixo, com orientação norte-sul e posicionados na horizontal, o ângulo de incidência θ é calculado por (Rabl, 1985),

onde δé a declinação solar, φé a latitude do local e ωé o ângulo horário, todos em graus.

(

)













₊

₊

=

−

w

sen

sen

tan

w

cos

cos

cos

cos

1

δ

φ

δ

φ

2 2

θ

O ângulo de incidência da radiação, θ, em coletores cilindro parabólicos, varia conforme o dia do ano devido à declinação solar, δ, e também com a hora do dia.

As principais partes que formam um CCP são: os elementos

absorvedores, os refletores cilindro parabólicos, o sistema de rastreamento solar e a estrutura de suporte.

O elemento absorvedor é formado por um tubo metálico, localizado no foco da parábola, por onde escoa o fluido de trabalho. É envolvido por um tubo de vidro, concêntrico ao tubo metálico, sendo que o espaço anular formado é evacuado. Este vácuo suprime a convecção entre os dois tubos, reduzindo as perdas térmicas para o ambiente. O tubo do absorvedor possui um recobrimento seletivo que confere alta absortividade da radiação no espectro solar e uma baixa emissividade de radiação infravermelha. Os recobrimentos seletivos mais utilizados são compostos por material do tipo cermet, uma mistura de cerâmica com metal e são depositados na superfície do tubo pelo processo sputtering ou deposição física de vapor (PVD).

A absortividade de radiação no espectro solar chega a ser maior que 95,5% a

400°C e a emissividade de radiação térmica infravermelha é menor que

9,5%.

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Os recobrimentos obtidos por PVD sofrem grande degradação a altas temperaturas quando em contato com o ar, por isso alto vácuo é necessário no espaço entre os dois tubos. O recobrimento seletivo deve ser barato e de fácil fabricação, além de ser estável se exposto ao ar a

temperaturas elevadas, em caso de perda do vácuo.

O tubo de vidro, geralmente de borossilicato, deve possuir alta

transmissividade. Para isto eles possuem um tratamento anti-reflexivo nas superfícies interna e externa. Nos tubos de vidro mais modernos a transmissividade chega a ser próxima de 96,5% para a radiação no espectro solar.

Como o vidro e o metal possuem coeficientes de dilatação térmica diferentes, existe uma união vidro-metal que deve permitir um pequeno movimento relativo entre eles e ao mesmo tempo garantir a vedação para manter o vácuo. A concentração da radiação solar nestas uniões causa uma acelerada degradação das mesmas, fazendo com que estas percam o vácuo ou com que o tubo de vidro se quebre. Este é o tipo de falha mais comum e uma grande fonte de despesas adicionais com reposição como também pela diminuição da performance dos absorvedores trabalhando sem vácuo.

Concentradores formadores de imagem: lineares

O sistema de juntas utilizados para a união entre os tubos de vidro é mostrada na figura abaixo.

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Os refletores de coletores cilindro parabólicos representam

aproximadamente 30% do custo do coletor, entretanto, uma vez que o custo da estrutura do coletor está diretamente relacionada ao custo dos refletores, estes podem representar até 75% do custo total dos coletores. Os refletores empregados são de três tipos: espelhos de vidro, chapas de alumínio de alta refletividade e películas adesivas espelhadas. Os mais utilizados em grandes centrais de geração termoelétrica são os de vidro, onde o material refletor é a prata. Os espelhos de vidro possuem alta refletividade, ρ > 95,5% e grande durabilidade.

Alguns fabricantes conseguem obter um fator de precisão geométrica de 99,9%, para cada espelho individual, na reflexão da radiação direta para o absorvedor.

A sujeira acumulada nos espelhos, principalmente poeira, reduz a refletividade em torno de 2% ao dia, sendo necessário fazer a limpeza dos mesmos periodicamente, geralmente com água deionizada.

Com relação à limpeza, os espelhos de vidro apresentam a grande vantagem em relação aos outros tipos pois após a limpeza a refletividade retorna ao valor original, enquanto os outros apresentam desgastes.

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O sistema de rastreamento solar é responsável por movimentar o sistema de modo a estar sempre na orientação correta em relação ao sol. Geralmente utiliza-se o sistema de coordenadas calculadas. Alguns algoritmos utilizados atualmente têm precisão de 0,5 minuto de arco.

Para a movimentação são utilizados motores elétricos com reduções ou pistões hidráulicos.

A estrutura de suporte e sustentação dos coletores deve suportar o próprio peso do sistema e garantir que este não sofra deformações em todas as posições em que o coletor trabalhará e as cargas de vento.

Concentradores formadores de imagem: lineares

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O campo solar da SEGS VI é composto por 50 voltas de 16 conjuntos de coletores cada, distribuídas em duas fileiras paralelas, como mostrado na figura:

O comprimento de cada volta de coletores é de aproximadamente 794 m, dividido em duas filas, com um comprimento efetivo de espelhos de aproximadamente 754 m. O sistema de rastreamento solar de cada SCA funciona no sentido leste para oeste, alinhados no eixo norte sul. Em operação nominal a temperatura do fluido térmico quente na saída do campo solar é de 390 o_C.

Concentrador Fresnel linear

Neste sistema, um conjunto de refletores planos (ou com uma leve curvatura) concentram a radiação solar em um receptor invertido, colocado em uma posição mais elevada. O fluido de trabalho escoa através do receptor, sendo então aquecido (a alta temperatura ou mesmo vapor). É um sistema similar ao coletor cilíndrico parabólico, com a vantagem de custo mais baixo para a estrutura de suporte e os refletores.

Entende-se como uma tecnologia de baixo custo para a produção de calor de processo para aplicações industriais.

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Concentrador Fresnel linear

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O coletor linear Fresnel (LFR) é composto de três partes: campo de espelhos, receptor e dispositivo de rastreamento solar . O campo de espelhos é constituído por um número de tiras de espelho onde o eixo central desses espelhos estão em paralelo um com o outro, no mesmo plano horizontal. A fim de captar a radiação para o receptor, o dispositivo de rastreamento faz com que os espelhos girem em torno de seu eixo, de acordo com a trajetória do Sol. O receptor pode absorver a energia gerada pela radiação e a transporta para um fluido térmico que circula dentro do tubo do absorvedor.

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Geometria dos receptores

O desempenho ótico de um LFR é limitado em função do ângulo no qual a radiação direta atinge o refletor e também porque os espelhos devem ser orientados para refletir a radiação para o receptor, não estando apontados para o Sol. Essa orientação não-normal em relação aos raios incidentes é a principal perda ótica do LFR. Essas perdas acontecem em relação aos dois planos: transversal (perpendicular ao eixo do coletor) e longitudinal (paralelo ao eixo do coletor).

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O desempenho ótico de um LFR varia significativamente ao longo do ano, com o desempenho máximo nos meses de verão. A figura abaixo apresenta um exemplo da variação da eficiência ótica total sobre um ano.

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Concentrador Fresnel linear

Concentrador Fresnel linear

s z x Vsen cos V = θ γ s z y

Vsen

sen

V

=

θ

γ

z z

V

cos

V

=

θ

(3.12)       = − z s z cos sen sen tan θ γ θ ρ 1

39

2

2

ρ

ϕ

ρ

ϕ

ϕ

ξ

ϕ

θ

=

−

=

−

n

−

=

n

−

n n n n

Ângulo de inclinação dos espelhos:

A variação do ângulo de inclinação é igual para todos os espelhos, assim pode ser utilizado apenas um motor para movimentar todo conjunto.

Concentrador Fresnel linear

Influência da altura do receptor:

85 105 125 145 165 185 205 225 245 e rg ia t é rm ic a p ro d u zi d a [ k W h ] 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

41 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 E n e rg ia t é rm ic a p ro d u zi d a ( k W h ) Número de espelhos 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.5

Concentrador Fresnel linear

Influência do número de espelhos:

Concentradores formadores de imagem: disco parabólico

Um concentrador tipo disco parabólico concentra a radiação direta em um receptor localizado no ponto focal do disco. A radiação é então absorvida no

receptor para aquecer um fluido ou um gás, em torno de 750 °C. Um líquido ou

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Composto por uma matriz circular de heliostatos (grandes espelhos com sistemas de seguimento do sol) concentram a radiação direta em um receptor central montado no alto de uma torre. Um fluido térmico circula nesse receptor central, absorvendo calor que é utilizado para geração de vapor superaquecido para alimentação de uma turbina.

Protótipos estão sendo desenvolvidos para utilizar ar ou gás pressurizado em

temperaturas superiores a 1.000 °C, usando o fluido diretamente em uma

turbina a gás, em substituição ao gás natural (ciclos com eficiência maior que 60%) ou em ciclos combinados.

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Concentradores formadores de imagem: torres (ou receptor central)

Custos

Segundo DOE (2007), o custo nivelado da energia produzida por plantas solares térmicas de concentração encontra-se entre US$ 10 a 12,6 centavos/kWh, representando investimentos na ordem de US$ 2.400 a 3.000/kW.

A previsão para 2020 é o esses custos possam reduzir para US$ 3,5 a 6,2 centavos/kWh; Essa redução seria decorrente do desenvolvimento da tecnologia, tamanho da planta e produção em massa. 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0 1000 2000 3000 4000 5000

Cumulative Installed Capacity (MWe)

L C O E 2 0 0 2 $ /k W h 1988 30-MW SEGS 1984 14-MW SEGS Current Potential 2004 Technology, 50-MWe Size 1989 80-MW SEGS

Future Cost Potential 2004-2012 Factors Contributing to Cost Reduction - Scale-up 37% - Volume Production 21% - Tech Development 42%

47

1∈=1.35 US$

49

Regiões com elevado potencial para geração de energia com concentração

51

53

Capacidades de sistemas de concentração atuais

- Greenpeache, Concentrating solar power, Global outlook 09: why renewable energy is hot, 2009

55

Fim !!!

Concentradores formadores de imagem: SLATS

Esse conceito de concentrador, genericamente denominado de refletor móvel e receptor estático é comumente chamado de SLATS, que é um acrônimo de solar linear array

thermal system.

Embora cada segmento individual de espelho (slats) gire sobre um eixo linear para focar a radiação direta incidente em um receptor estacionário, a estrutura (e dessa forma a abertura do coletor) de suporte dos espelhos permanece fixa no espaço.

Assim, esse conceito pode ser considerado um concentrador de abertura fixa e essa abertura é definida pelo estrutura retangular dos refletores.