CONSTRUÇÃO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO COM RASTREAMENTO AUTOMATIZADO PARA MAXIMIZAR A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA. Angela Monteiro Brito

CONSTRUÇÃO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO COM RASTREAMENTO AUTOMATIZADO PARA MAXIMIZAR A EFICIÊNCIA

ENERGÉTICA

Angela Monteiro Brito

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos – Mestrado Profissional, PPGEP/ITEC, da Universidade Federal do Pará, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestra em Engenharia de Processos.

Orientador: Edinaldo José de Sousa Cunha

Belém

Julho de 2018

CONSTRUÇÃO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO COM RASTREAMENTO AUTOMATIZADO PARA MAXIMIZAR A EFICIÊNCIA

ENERGÉTICA

Angela Monteiro Brito

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE

PÓSGRADUAÇÃO EM ENGENHARIA PROCESSOS – MESTRADO

PROFISSIONAL (PPGEP/ITEC) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA DE PROCESSOS.

Examinada por:

_______________________________________________

Prof. Edinaldo José de Sousa Cunha, D.Eng.

(PPGEP/ITEC/UFPA - Orientador)

________________________________________________

Prof. Deibson Silva da Costa, D.Eng.

(FEMat/CAMPANAIN/UFPA - Membro)

_______________________________________________

Prof. Jean da Silva Rodrigues, Dr.

(PPGEMAT/IFPA – Membro)

________________________________________________

Profª. Raimunda Figueiredo da Silva Maia, Dra.

(PRODENA/ITEC/UFPA - Membro)

BELÉM, PA - BRASIL

JULHO DE 2018

Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) Sistema de Bibliotecas da UFPA

Brito, Angela Monteiro, 1963-

Construção de concentrador solar parabólico com rastreamento automatizado para maximizar a eficiência energética / Angela monteiro Brito — 2018.

Orientador: Edinaldo José de Sousa Cunha

Dissertação (Mestrado Profissional) – Universidade Federal do Pará. Instituto de Tecnologia. Programa de Pós- Graduação em Engenharia de Processos, 2018

1. Energia Solar. 2. Concentrador. 3. Controle de posição I. Título

CDD 621.042

iv

Dedico este trabalho a minha família,

amigos e a todos aqueles que

contribuíram para sua realização.

v

AGRADECIMENTOS

A meu Deus, que me deu condições intelectuais e físicas para concluir este trabalho e conquistar esse título.

Agradeço a minha família pelo apoio e por suportar a minha ausência ao longo do curso, em especial ao meu marido que sempre esteve ao meu lado em todos os momentos: bons e difíceis.

Ao meu orientador, pelo acompanhamento durante as pesquisas experimentais e pela assistência na elaboração desta dissertação.

Aos professores do PPGEP.

Agradeço também a todos os amigos que torceram pelo sucesso de meu trabalho,

em especial os que trabalharam diretamente comigo; Reginaldo, Paulo Wallace, Miguel

Alexandre, André.

vi

“A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao tamanho original.”

(Albert Einstein)

vii

Resumo da Dissertação apresentada ao PPGEP/UFPA como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Processos (M. Eng.)

CONSTRUÇÃO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABOLICO COM RASTREAMENTO AUTOMATIZADO PARA MAXIMIZAR A EFICIÊNCIA

ENERGÉTICA

Angela Monteiro Brito

Julho/2018

Orientador: Edinaldo José de Sousa Cunha

Área de Concentração: Engenharia de Processos

Um concentrador solar cilíndrico parabólico incrementado com rastreamento

automatizado em um único eixo é apresentado para aquecer água a ser aplicada na

técnica do branqueamento do açaí. Este sistema utiliza a radiação solar direta e a

concentra em um ponto focal transformando-a em energia térmica. Diante do exposto,

um sistema de geração de energia térmica utilizando a radiação solar direta concentrada

em calha parabólica para o aquecimento de água e controlando-se a vazão gerar vapor,

será construído com materiais reciclados, o protótipo tem como principal característica

o sistema de rastreamento automatizado através de um micro controlador, com entradas

digitais onde estão conectados sensores do tipo LDR (resistor dependente de luz) e na

saída um atuador de um único eixo e com um grau de liberdade para mover o sistema no

sentido Leste-Oeste, o rastreador foi implementado e testado para seu desempenho em

tempo real. O programa que é transferido para o controlador, desenvolvido em

linguagem Ladder e faz o controle em malha fechada, baseado no sinal de saída que é

comparado ao set point e a resposta para corrigir o erro de posição, o que fez com que a

calha parabólica esteja sempre apontada para o sol num ângulo de 90º, ângulo ideal para

que a calha receba a máxima irradiação direta do sol. O controlador corrigiu o erro de

regime em tempo real, o sistema esta sempre posicionado no ângulo de máxima

irradiância que pode ser observada com os resultados apresentados a partir da Análise

viii

de dados coletados do sistema operando em modo: rastreamento manual e

automatizado, outro fator que demostra a eficiência do concentrador é a taxa de

concentração, que é a razão entre a área da abertura da calha, isto é, área que recebe a

radiação direta e área de absorção, protótipo apresentou uma taxa no valor de 14, este é

um parâmetro que afeta inversamente proporcional à eficiência térmica do

concentrador, isto é, o balanço energético, mas este resultado está dentro dos limites de

rastreamento em um único eixo. A máxima eficiência energética foi 127,81 ºC para o

rastreamento manual e 131,70 ºC para o rastreamento automatizado. Desta forma, a

implementação do método de rastreamento automatizado em um único eixo, a partir da

análise dos resultados, comprova a contribuição do trabalho se comparados a métodos

de rastreamento manual.

ix

Abstract of Dissertation presented to PPGEP/UFPA as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Process Engineering (M. Eng.)

CONSTRUCTION OF PARABOLIC SOLAR CONCENTRATOR WITH AUTOMATIC TRACKING TO MAXIMIZE ENERGY EFFICIENCY

Angela Monteiro Brito

July/2018

Advisor: Edinaldo José de Sousa Cunha

Research Area: Process Engineering

An enhanced parabolic cylindrical solar concentrator with automated tracking on a

single axis is presented to heat water to be applied in the açaí bleaching technique. This

system uses the direct solar radiation and concentrates it in a focal point transforming it

into thermal energy. In view of the above, a system of thermal energy generation using

the direct solar radiation concentrated in parabolic trough for the heating of water and

controlling the flow generate steam, will be constructed with recycled materials, the

prototype has as main characteristic the tracking system automated through a micro

controller, with digital inputs where LDR (light dependent resistor) type sensors are

connected and at the output a single axis actuator and with a degree of freedom to move

the system in an East-West direction, the tracker was implemented and tested for real-

time performance. The program that is transferred to the controller, developed in Ladder

language and does the closed-loop control, based on the output signal that is compared

to the set point and the response to correct the position error, which caused the parabolic

trough is always pointed at the sun at a 90º angle, ideal angle so that the trough receives

the maximum direct irradiation from the sun. The controller corrected the real-time

regime error, the system is always positioned at the maximum irradiance angle that can

be observed with the results presented from the analysis of data collected from the

system operating in mode: manual and automated tracking, another factor that

demonstrates the efficiency of the concentrator is the concentration rate, which is the

ratio between the area of the gutter opening, that is, area receiving the direct radiation

x

and absorption area, prototype showed a rate in the value of 14, this is a parameter

which affects inversely proportional to the thermal efficiency of the concentrator, ie the

energy balance, but this result is within the limits of tracking on a single axis. The

maximum energy efficiency was 127.81 ºC for manual tracing and 131.70 ºC for

automated tracing. Thus, the implementation of the automated tracking method on a

single axis, based on the analysis of the results, proves the contribution of the work

compared to manual tracking methods.

xi SUMÁRIO

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO... 1

1.1 - MOTIVAÇÃO... 1

1.2 - OBJETIVOS... 4

1.2.1 - Objetivo geral... 4

1.2.2 - Objetivos específicos... 4

1.3 - CONTRIBUIÇÕES DA DISSERTAÇÃO... 4

1.4 - ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO... 5

CAPÍTULO 2 - REVISÃO DA LITERATURA... 6

2.1 - REFERENCIAL TEORICO... 6

2.2 - RADIAÇÃO SOLAR... 7

2.3 - CONCENTRADORES TERMOSSOLARES... 11

2.3.1 - Concentradores Solar Parabólicos... 11

2.4 - CARACTERÍSTICAS DO CONCENTRADOR PARABÓLICO... 12

2.4.1 - Definição de parábola... 12

2.4.2 - Distância focal... 13

2.4.3 - Fator geométrico... 14

2.4.4 - Cálculo da abertura do coletor... 14

2.4.5 - Ângulo do arco de incidência solar... 15

2.4.6 - Seleção do diâmetro do tubo absorvedor... 16

2.4.7 - Desempenho óptico do coletor... 17

2.4.8 - Desempenho térmico do coletor... 17

2.4.9 - Eficiência instantânea do coletor... 18

2.4.10 - Sistema de rastreamento... 19

2.4.11 - Automação do rastreamento... 21

2.4.12 - Controle de posição... 22

CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS... 23

3.1 - MATERIAIS... 23

3.2 - METODOLOGIA EXPERIMENTAL... 24

3.2.1 - Dimensões do Protótipo... 24

3.2.2 - Sistema de rastreamento solar... 31

3.2.3 - Sistema de controle... 35

xii

3.2.4 - Testes do absorvedor sem carga e com rastreamento manual... 40

3.2.5 - Testes do absorvedor com carga e com rastreamento manual... 41

3.2.6 - Testes do absorvedor com carga e com rastreamento automático... 43

CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO... 45

4.1 - ANÁLISE DO SISTEMA DE RASTREAMENTO MANUAL... 45

4.1.1 - Análise térmica do absorvedor sem cobertura e carga... 45

4.1.2 - Análise térmica do absorvedor com cobertura... 49

4.2 - ANÁLISE DO SISTEMA DE RASTREAMENTO AUTOMÁTICO... 52

4.2.1 - Análise térmica do absorvedor... 52

4.2.2 - Análise da influência do rastreamento automático na temperatura do fluido... 55

CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES... 61

5.1 - CONCLUSÕES... 61

5.2 - SUGESTÕES... 62

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 63

xiii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 A geometria sol – terra... 8

Figura 2.2 Processos de interação da radiação solar... 9

Figura 2.3 Mapa de isolinhas de radiação solar no Brasil... 10

Figura 2.4 Concentrador cilíndrico parabólico... 11

Figura 2.5 Exemplos de algumas parábolas... 12

Figura 2.6 Gabarito construído em compensado... 13

Figura 2.7 Ângulos notáveis em solarimetria... 15

Figura 2.8 Sistema de coordenadas cilíndricas... 16

Figura 2.9 Exemplo de tubos de cobre... 16

Figura 2.10 Posicionamentos do sistema para seguir o movimento diário de rotação da terra... 20

Figura 2.11 Micro Controlador Programável CLIC-02... 21

Figura 2.12 Exemplo de controle em malha fechada... 22

Figura 3.1 Diagrama de blocos da metodologia... 23

Figura 3.2 Cálculo e formato da parábola do concentrador... 25

Figura 3.3 Perfil da parábola em papel milimetrado... 26

Figura 3.4 Gabarito em compensado para construção da estrutura... 26

Figura 3.5 Montagem da estrutura de ancoragem... 27

Figura 3.6 Calha montada para receber as lâminas... 27

Figura 3.7 Fixação das lâminas de alumínio... 28

Figura 3.8 Lâminas sem o filme protetor... 28

Figura 3.9 Posição do tubo na linha focal... 29

Figura 3.10 Tubo absorvedor posicionado na linha focal... 30

Figura 3.11 Tubo absorvedor revestido com tubo de vidro... 30

Figura 3.12 Instalação do primeiro motor... 31

Figura 3.13 Sistema de redução... 32

Figura 3.14 Placa eletrônica da Ponte “H”... 33

Figura 3.15 Diagrama do circuito da Ponte H... 33

Figura 3.16 Caminho percorrido pela corrente... 34

Figura 3.17 Posição da fixação dos sensores... 34

Figura 3.18 Sensores fixados na lateral da calha... 35

xiv

Figura 3.19 Diagrana de blocos da malha fechada... 36

Figura 3.20 Trecho da programação em linguagem Ladder... 37

Figura 3.21 Calha com sistema de rastreamento... 39

Figura 3.22 Diagrama de blocos do procedimento... 39

Figura 3.23 Tubulação de saída com tratamento térmico... 40

Figura 3.24 Exemplo de verificação de temperatura... 41

Figura 3.25 Absorvedor com sifão e registro... 42

Figura 3.26 Método manual de travamento... 42

Figura 3.27 Método manual deslizante de travamento da calha... 43

Figura 3.28 Imagem do termômetro digital... 44

Figura 4.1 Ensaio do concentrador... 46

Figura 4.2 Comportamento da temperatura ao longo do tempo... 47

Figura 4.3 Variâncias da temperatura ao longo do tempo... 49

Figura 4.4 Absorvedor pintado e recoberto com tubo de vidro... 49

Figura 4.5 Influência da cobertura do tubo absorvedor... 51

Figura 4.6 Comportamento da temperatura... 52

Figura 4.7 Concentrador com o rastreamento automatizado instalado... 53

Figura 4.8 Comportamento da temperatura com rastreamento automático do coletor... 54

Figura 4.9 Comparação do sistema manual e automático de rastreamento... 55

Figura 4.10 Concentrador de calha parabólica... 56

Figura 4.11 Comparação dos resultados de sistemas automatizados... 57

Figura 4.12 Influência da degradação no sistema... 59

xv

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Dados de radiação solar diária... 10 Tabela 2.2 Classificação dos coletores solares por graus de rastreamento... 20 Tabela 3.1 Dimensões do concentrador de Calha Parabólica... 25 Tabela 4.1 Resultados do teste do concentrador operando sem carga... 46 Tabela 4.2 Resultados do teste do concentrador operando sem carga... 48 Tabela 4.3 Resultados do teste do concentrador com cobertura de vidro e

com carga... 50 Tabela 4.4 Comparativo de ensaios dos concentradores com carga e

rastreamento manual... 51 Tabela 4.5 Resultados do teste do concentrador operando com carga... 53 Tabela 4.6 Dimensões do concentrador solar... 56 Tabela 4.7 Comparativo de ensaios dos concentradores com rastreamento

automático... 57

Tabela 4.8 Influencia da degradação nos resultados obtidos... 58

xvi

NOMENCLATURA

ANVISA AGENCIA NACIOANL DE VIGILÂNCIA SANITÁRIA

CPTEC CENTRO DE PREVISÃO DE TEMPO E ESTUDOS CLIMATICOS

CP CONTROLADOR PROGRAMÁVEL

CRESESB CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO

GEDAE GRUPO DE ESTUDOS E DESENVOLVIMENTO DE

ALTERNATIVAS ENÉRGÉTICAS

GLP GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO

LABREN LABORATÓRIO DE MODELAGEM E ESTUDO DE RECUROS RENOVAVEIS DE ENERGIA

NEMA NATIONAL ELECTRICAL MANUFACTURERS ASSOCIATION

NERL NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY

SEGS SOLAR ELECTRIC GENERATION SYSTEMS

SIN SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL

1 CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 - MOTIVAÇÃO

A necessidade de aquecimento da água a uma temperatura adequada, que possibilitasse a técnica de branqueamento do açaí, preparando o fruto para o beneficiamento, a partir do aproveitamento da energia solar, surgiu para diminuir os custos com energia elétrica e o gás GLP (Gás Liquefeito de Petróleo) usados no processo de aquecimento da água.

A utilização da energia solar térmica pela humanidade já se faz presente em períodos bastante remotos. KALOGIROU (2009), cita um dos primeiros registros embora não comprovados, que Arquimedes (282 a 212 aC), com um sistema composto 24 espelhos que concentravam os raios solares em um único ponto focal, teria ele usado esta invenção para queimar a frota marítima romana na Baía de Syracuse, atualmente pertencente à Itália. Este fato foi descrito pelo do matemático polonês Vitelio em seu livro Optics Vitelio.

De acordo com KROTH (2016), com o advento da revolução industrial, a humanidade passou a demandar cada vez mais o uso de energia elétrica em face da busca por conforto, atualmente este consumo é baseado na utilização de produtos elétricos, eletrônicos e eletroeletrônicos. Ainda segundo KROTH (2016) essa energia elétrica, obtida principalmente a partir da queima de combustíveis fosseis, gerou por consequência um aumento considerável na concentração de dióxido de carbono (CO

) na atmosfera, provocando os inconvenientes do efeito estufa, além de acarretar a degradação dos recursos naturais. Portanto, a consciencialização da importância da utilização das energias renováveis, para complementar a energia oriunda da queima de combustíveis fósseis, se faz necessária, através de uma mudança de atitude compatível com o desenvolvimento sustentável.

O consumo de energia elétrica é uma das atividades mais essenciais para a vida

moderna, causa e consequência do desenvolvimento das sociedades e da indústria, em

se tratando da região amazônica a dificuldade é ainda maior devido sua extensão

territorial, baixa densidade demográfica, inúmeras áreas alagadas e floresta compacta

(LASCIO e BARRETO, 2009).

2

Acrescentando-se a este cenário a crise do petróleo que teve início na década de 1970, quando se percebeu que esse recurso natural não é renovável a curto e médio prazo, seu valor de mercado sofre até os dias atuais variações frequentes (KROTH, 2016). Diante a estes fatores, os incentivos ao uso de fontes alternativas de energia principalmente a solar começaram a ganhar cada vez mais evidencia nas pesquisas para o desenvolvimento de projetos de concentradores solares pelo mundo.

Atualmente, já existe um acervo técnico cientifico no sentido de alimentar o desenvolvimento de concentradores pelo mundo. JETER (1986) desenvolveu o cálculo da distribuição da densidade do fluxo concentrado e no ano seguinte, através de experimentos, determinou o desempenho ótico de concentradores parabólicos através de uma formulação analítica semifinita, para facilitar a modelagem numérica eficiente do fluxo radiante, concentrado na superfície receptora do concentrador parabólico. Além do acervo técnico, já contamos com tecnologias para utilização da energia solar em equipamentos como: coletores planos, sacadores solar, fogões solares entre outros.

Além dos experimentos, alguns métodos de simulação de concentradores foram desenvolvidos para facilitar o trabalho dos pesquisadores, dentre eles o MCRT - Método Monte Carlo Ray-Trace, que é um simulador computacional usado para obter a distribuição heterogênea da transferência de calor no interior do tubo. Esse método foi usado por HE et al., (2010) para comparar os resultados experimentais de suas pesquisas com o simulador, e após Análise dos resultados, confirmaram a eficiência do mesmo.

Por tanto, a partir das pesquisas realizadas confirma-se que a utilização da energia solar por meio de concentradores é uma realidade concreta e promissora.

Segundo MALAGUETA (2012) os países EUA e Espanha, são referências na utilização da energia solar térmica de alta potência. Os Estados Unidos possuem as Plantas SEGS (Solar Electric Generation Systems) na Califórnia gerando 353MW (SEGS LS-2, 1994) e a Espanha conta com diversos campos; a usina na Almería gera 0,5MW (SOUZA FILHO, 2008) e entre Sevilha e Córdoba a Usina Gemasolar, com 2.650 painéis solares de 120 metros quadrados cada, gera 11 MW.

O Brasil, sendo um país tropical apresentando elevada incidência de radiação

solar, tem grande potencial para desenvolvimento de tecnologias capaz de transformar

energia solar em energia térmica (TIBA e FRAIDENRAICH, 2000). Como contribuição

para o desenvolvimento de projetos no setor, o Rio Grande do Norte, onde os valores da

irradiância solar são favoráveis para projetos termossolares, na UFNR (Universidade

3

Federal do Rio Grande do Norte) há um laboratório onde são desenvolvidas pesquisas para utilização de coletores solares na produção de vapor e energia elétrica (SOUZA FILHO, 2008). No Pará a UFPA (Universidade Federal do Pará) possui o laboratório GEDAE (Grupo de Estudos e de Alternativas Energéticas), responsável por vários projetos já implantados e pesquisas buscando cada vez mais a melhoria e a eficiência na utilização da irradiância solar, aplicadas em placas fotovoltaicas para geração de energia elétrica.

Como contribuição às pesquisas, o Atlas Solarimétrico do Brasil fornecem os dados dos recursos solares (irradiância) no território brasileiro enquanto que, o Atlas Brasileiro de Energia Solar, apresentam análises sobre os níveis de confiança, da variabilidade espacial e temporal do recurso solar, tais contribuições são referenciais básicos importantes para o desenvolvimento de novas pesquisas na área. De acordo com PEREIRA et al. (2017) a avaliação do potencial de recursos de energia solar em uma determinada região é importante; pois envolve três componentes básico para o desenvolvimento de projetos termossolares, que são: a distribuição espacial, a variabilidade temporal e as incertezas envolvendo as duas variáveis.

Para PEREIRA et al. (2017) a componente distribuição espacial é um parâmetro importante a ser observado para a viabilidade técnica do potencial energético de uma dada região, por tanto, para obter um melhor aproveitamento da irradiância os coletores solares devem seguir o sol em seu movimento diário aparente ao longo do céu.

Para se obter o rastreamento segundo KALOGIROU (2013), dois métodos podem ser utilizados, um é o método altazimute no qual exige que a estrutura de sustentação e mobilidade da calha, gire tanto na altitude como também o ângulo azimutal; o segundo modelo é o rastreamento somente no eixo, onde esta localizada a linha focal, neste método a estrutura rastreia o sol em uma única direção, de leste a oeste ou de norte a sul.

Portanto, sabendo que o sol é uma fonte inesgotável de energia e que a energia térmica, também chamada heliotérmica, resulta da conversão da radiação solar, sua utilização com tecnologias apropriadas; o concentrador solar poderá ser um instrumento importante, usado como alternativa energética promissora, diante a demanda crescente por energia e quiçá, enfrentar os desafios deste milênio.

Diante do exposto, o presente trabalho apresenta como contribuição à pesquisa

experimental em busca de alternativas energéticas, a construção de um concentrador

solar de calha parabólica com rastreamento automático, para aquecimento de água a ser

4

utilizada em processos térmicos, susceptível à produção de vapor. Tendo como característica particular na sua construção a utilização de materiais reciclados como sucata de alumínio e como principal contribuição o rastreamento solar automatizado, através de um microcontrolador embarcado, sensores e atuadores, para controlar em malha fechada o posicionamento da calha no ponto de maior incidência solar.

O rastreamento automatizado do concentrador solar tem como objetivo maximizar a captação da radiação direta solar poderá também o concentrador contribuir com a efetiva utilização do sistema, na diversificação da matriz energética brasileira.

1.2 - OBJETIVOS

1.2.1 - Objetivo geral

Este trabalho tem por objetivo geral desenvolver um sistema de de rastreamento solar automatizado, para um concentrador de calha parabólica, afim de aquecer água a ser utilizada no processo de branqueamento de açaí.

1.2.2 - Objetivos específicos

 Dimensionar a geometria para construção do protótipo;

 Incrementar o rastreamento automatizado no protótipo através de microcontrolador;

 Comparar os resultados de concentradores similares já existentes com concentradores automatizados e comprovar a melhoria da eficiência energética.

1.3 - CONTRIBUIÇÕES DA DISSERTAÇÃO

O aproveitamento da energia solar a partir de concentradores solares já é realidade em alguns países como Estados Unidos, Espanha, Israel entre outros, pois se trata de uma tecnologia bem desenvolvida (SOUZA FILHO, 2008).

Neste sentido, a contribuição do presente trabalho à pesquisa experimental, será

automatização do rastreamento de concentradores de calha parabólica e seu controle em

malha fechada por meio de micro controlador, visando maximizar a eficiência

energética do sistema.

5 1.4 - ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

O capítulo 1 através da introdução apresenta-se uma breve descrição do trabalho:

a motivação, os objetivos, as contribuições da dissertação e a forma de organização do trabalho.

O capítulo 2 compreende a revisão da literatura e o referencial teórico, no campo da energia solar e dos concentradores parabólicos, que será o embasamento teórico necessário para o desenvolvimento do projeto de construção do protótipo e o rastreamento automatizado.

O capítulo 3 apresenta os materiais e a metodologia experimental empregada na construção do coletor solar com rastreamento e seus detalhes de construção.

O capítulo 4 demostra os resultados obtidos no procedimento experimental, a partir dos dados coletados e apresentados nos gráficos e tabelas.

No capítulo 5 são apresentadas as conclusões a partir das Análises dos resultados

e sugestões para pesquisas futuras.

6 CAPÍTULO 2

REVISÃO DA LITERATURA

Este capítulo compreende o referencial teórico e a revisão bibliográfica;

abordam os conceitos e cálculos fundamentais para construção da calha parabólica, eficiências e o rastreamento automatizado.

2.1 - REFERENCIAL TEORICO

JETER (1986) desenvolveu o cálculo de densidade de fluxo concentrado utilizável em coletores solares, proporcionando vantagem conceitual e de eficiência, para ser aplicada em programas computacionais, no qual foram considerados para os cálculos a geometria do tubo, pois sua sombra na superfície também afeta o rendimento, está modelagem tornou-se uma ferramenta útil para a análise e construção de concentradores de calha parabólica.

A viabilidade técnica para aplicação de concentradores de calha parabólica em substituição aos coletores de placa plana foi pesquisada por KALOGIROU e LLOYD (1994) de forma que os resultados obtidos após a comparação dos dois sistemas destacam-se como vantagens: o fluido de trabalho pode atingir temperaturas mais elevadas quando comparado com um sistema de placas planas da mesma área de superfície coletora de energia solar, resultando em uma maior eficiência termodinâmica;

a eficiência térmica é maior por causa da menor área de perda de calor em relação à área do receptor e a superfície refletora requer menos material e sua construção é estruturalmente mais simples.

A contribuição às pesquisas dos autores ODEH et al. (1998), foi a modelagem

de um concentrador cilíndrico parabólico para produção direta de vapor, no qual foi

usado como fluido de trabalho o óleo Syltherm 800 para determinar as perdas térmicas

do coletor. A modelagem matemática foi baseada na temperatura da parede do

absorvedor, em vez da temperatura do fluido, na qual foram consideradas as perdas de

radiação, de convecção e de condução para as diferentes zonas de fase fluida (água,

vapor e vapor seco), esta estratégia foi usada para que os resultados possam prever o

desempenho geral do coletor com qualquer fluido de trabalho.

7

Na construção da estrutura parabólica, um dos fatores importantes que afetam o desempenho de um PTC (Parabolic Trough Solar Collector) é a precisão da superfície refletora. Neste sentido, para a redução dos erros de contorno na superfície do concentrador ARASU e SORNAKUMAR (2007) aplicaram em seu protótipo um compósito de fibra de vidro para fazer o reforço da ancoragem, que além de melhorar o desempenho térmico do coletor, obtiveram bons resultados em testes de carga e de torção aplicados a estrutura, o que concedeu ao coletor cilíndrico parabólico; alta resistência específica (relação força-peso), rigidez específica (relação rigidez-peso), propriedades que conferem ao protótipo alta resistência à temperaturas elevadas e à corrosão ácida do concentrador.

Uma caracterização do erro de rastreamento direto em um rastreador solar de um eixo foi proposta por SALLABERRY et al. (2015) no qual os pesquisadores usaram um sensor digital de ângulo de gravidade (inclinômetro) para otimizar o ângulo de aceitação que é uma característica chave de um concentrador solar, o qual pode ser definido como o ângulo máximo no qual todos os raios incidentes em um sistema de concentração ótica são transmitidos ao seu receptor. O procedimento proposto fornece uma melhor precisão para o erro de rastreamento do que o ângulo teórico de aceitação.

No Brasil MALAGUETA (2012) fez uma revisão bibliográfica, apresentando um panorama mundial a cerca do histórico da evolução do aproveitamento da energia solar, que datam de tempos bem remotos e dos princípios e tecnologias aplicadas à geração heliotérmica. Em seu trabalho descreve as principais tecnologias utilizadas atualmente como: concentradores cilíndricos parabólicos, coletor Fresnel, disco parabólico e torre central, informando ainda onde essas tecnologias estão sendo aplicadas pelo mundo. Esta visão ampla desperta a necessidade da implantação de projetos aqui no Brasil que conta com uma irradiância média mensal de expressiva relevância.

2.2 - RADIAÇÃO SOLAR

Conceitos básicos são necessários ao desenvolvimento de tecnologias para o

aproveitamento da geração heliotérmica. Um primeiro conceito é dado por

KALOGIROU (2004); radiação solar é o termo usado no conceito da energia radiante

emitida pelo sol sob a forma de onda eletromagnética, que é obtida a partir de fusão

contínua no qual o hidrogênio é transformado em hélio.

8

Para mensurar a quantidade de radiação solar disponível em uma região e sua variabilidade espacial e temporal é necessário compreender a posição relativa entre o sol e a terra. Segundo PEREIRA et al. (2017) a terra orbita o sol a uma distância média de cerca de 150 milhões de quilômetros, completando um ciclo a cada 365,25 dias solares.

Conforme apresentado na Figura 2.1 é possível observar a geometria do movimento aparente da terra ao redor do sol, relacionada à transferência radioativa, a variância da distância do sol em relação a um ponto na superfície e a variabilidade diária e sazonal do sol que determina as estações do ano e a duração do dia.

Figura 2.1 - A geometria sol‐terra.

Fonte: TIBA e FRAIDENRAICH (2000).

No território brasileiro, os valores mensurados de irradiância constam no Atlas

Solarimétrico do Brasil. Devido a inclinação do eixo da terra essa distância varia entre

1,47 x 10

km e 1,52 x 10

km, por consequência, o fluxo de radiação solar também

varia entre 1.325 W/m² e 1.412 W/m² (TIBA e FRAIDENRAICH, 2000). De acordo

com NREL (National Renewable Energy Laboratory), um valor médio da irradiância

solar é estabelecido em 1.366 W/m² e é definido como a constante solar. Diante do

exposto, a duração do dia e a quantidade de energia solar incidente na superfície

9

terrestre apresenta variabilidade temporal, dado importante a ser considerado na construção de um concentrador solar.

A irradiância solar fora da atmosfera é quase constante, contudo somente parte da radiação solar atinge a superfície terrestre, a quantidade de radiação incidente na superfície terrestre é composta pela radiação difusa, advinda do céu devido à difusão da radiação solar na atmosfera e nas nuvens e a direta que representa a direção de incidência na linha imaginária entre a superfície e o sol sem interferências dos processos radiativos de absorção e espalhamento que ocorrem na atmosfera (PEREIRA et al., 2017). Na Figura 2.2 é mostrado em detalhes os efeitos físicos e os processos que sofre a irradiância a até atingir a superfície terrestre.

Figura 2.2 - Processos de interação da radiação solar.

Fonte: PEREIRA et al. (2017).

Segundo TIBA e FRAIDENRAICH (2000) existe consciência generalizada de

que o Brasil em toda sua extensão territorial conta com um recurso solar de excelente

qualidade. Na Figura 2.3 é apresentado um panorama do comportamento geral anual da

radiação solar global diária média anual no território brasileiro.

10

Figura 2.3 - Mapa de Isolinhas de Radiação Solar do Brasil.

Fonte: PEREIRA et al. (2017).

Na Tabela 2.1 são apresentados valores de radiação solar diária (médias mensais) para algumas localidades no mundo, inclusive em Belém-PA.

Tabela 2.1 - Dados de radiação solar diária.

Localidade Latitude H

(MJ/m

)

H

(MJ/m

) Dongola - Sudão 19

10' 19,1(Dez) 27,7(Mai)

Dagget - USA 34

52' 7,8(Dez) 31,3(Jun) Belém/PA - Brasil 1

27' 14,2(Fev) 19,9(Ago) Floriano/PI - Brasil 6

46' 17,0(Fev) 22,5(Set) Petrolina/PE - Brasil 9

23' 16,2(Jun) 22,7(Out) B. J, da Lapa/BA - Brasil 13

15' 15,9(Jun) 21,1(Out) Cuiabá/MT- Brasil 15

33' 14,7(Jun) 20,2(Out) B. Horizonte/MG - Brasil 19

56' 13,8(Jun) 18,6(Out) Curitiba/PR - Brasil 25

26' 9,7(Jun) 19,4(Jan) P. Alegre/RS - Brasil 30

1' 8,3(Jun) 22,1(Dez)

Fonte: Adaptado de PEREIRA et al. (2017).

11 2.3 – CONCENTRADORES TERMOSSOLARES

Concentradores de energia solar são dispositivos trocadores de calor que tem por função transformar a componente direta da radiação solar em energia térmica para o uso em processos térmicos e para geração de energia elétrica, tendo como principal elemento o coletor solar, isto é, a superfície óptica refletiva (KALOGIROU, 2004).

2.3.1 - Concentradores Solares Parabólicos

Os concentradores de calha parabólica constituem um tipo especial de permutadores de calor que transformam energia da radiação solar em energia interna do meio de transporte (KALOGIROU, 2004). São construídos dobrando uma lâmina de material reflexivo ou montando com pedaços de espelhos em uma base côncava, para formar a parábola, onde raios incidentes são refletidos e então focados na superfície externa do tubo de metal, localizado na linha focal, e recoberto por um involucro de vidro, a fim de reduzir as perdas de absorção do calor. O fluído a ser aquecido circula pelo tubo e as trocas de calor ocorrem por condução e convecção. Exemplo de concentrador é mostrado na Figura 2.4.

Figura 2.4 - Concentrador cilíndrico parabólico.

Fonte: RENEWABLE POWER NEWS (2009).

12

2.4 - CARACTERÍSTICAS DO CONCENTRADOR PARABÓLICO

2.4.1 - Definição de parábola

Em um projeto de construção da calha parabólica são necessários os cálculos fundamentais para sua plotagem. Segundo MATOS (2009) a construção do concentrador tem como base o traçado geométrico da parábola. Portanto, matematicamente uma parábola é uma função quadrática definida pela expressão:

𝑦 = 𝑎𝑥

+ 𝑏𝑥 + 𝑐 (2.1) Sendo a constante “a” define a abertura da parábola, conforme mostra a Figura 2.5.

Figura 2.5 - Exemplos de algumas parábolas.

Fonte: MATOS (2009).

Logo, tendo uma parábola definida da forma:

(𝑥; 𝑦) = (𝑥; 𝑎𝑥

) (2.2)

E, aplicando a derivada em qualquer ponto, temos:

(𝑥; 𝑦

) = (𝑥; 2𝑎𝑥) (2.3) Então, derivando o y, encontramos a normal a curva será da forma:

(𝑦

; 𝑥) = (2𝑎𝑥; 𝑥) (2.4) Portanto, ao aplicar-se a Equação reduzida da parábola, temos:

𝑥

= 2𝑎𝑦𝑥

(2.5)

13 2.4.2 - Distância focal

A partir da definição da parábola para encontrar a distância focal, aplica-se o teorema de Pitágoras no triângulo formado pelos raios incidente e o raio refletido e a normal ao espelho no ponto de incidência. Finalmente a distância focal, que é representada pelo cateto oposto, é expressa da forma:

𝑓 =

𝑎

(2.6) Sendo:

𝑓=Distância focal;

𝑎=Abertura da parábola.

Conforme ARASU e SORNAKUMAR (2007) um gabarito executado a partir das dimensões encontradas da parábola é necessário, para construção da estrutura da calha parabólica onde será instalada a superfície refletora, que deve ser mais uniforme possível, pois os erros de construção implicarão em perda de rendimento óptico e consequentemente das eficiências gerais do concentrador de calha parabólica. Na Figura 2.6 estão representados os detalhes e as dimensões dos gabaritos utilizados pelos autores em seu protótipo experimental.

Figura 2.6 – Gabarito construindo em compensado.

Fonte: ARASU e SORNAKUMAR (2007).

2.4.3 - Fator geométrico

De acordo com KALOGIROU (1996) as características construtivas, isto é, as

dimensões do coletor determinam o fator geométrico que é uma medida da redução

efetiva da área de abertura devido a efeitos anormais de incidência. Esta medida é

calculada pela razão entre a área sombreada e área total de abertura do coletor.

14

𝐴

= [

2

3 𝑊_𝑎 . ℎ_𝑝+𝑓.𝑊_𝑎(1+ ^𝑊𝑎2

48.𝑓2)

⁄

𝐴_𝑎

] (2.7)

Sendo:

𝐴

=Fator geométrico;

𝐴

=Área Receptora (m²);

𝑊

=Abertura da parábola (m);

ℎ

=Altura da parábola (m);

𝑓=Distância focal .

Dessa forma, ao mensurar as dimensões do protótipo, deve-se ter máxima atenção às relações gerais do coletor, pois seu desempenho depende das dimensões inter-relacionadas.

2.4.4 - Cálculo da abertura do coletor

Segundo KALOGIROU (1996) para definir a área projetada dos raios solares incidentes na calha é necessário definir o diâmetro do absorvedor e o melhor ângulo para incidência solar, conforme Eq. (2.8). Portanto, a área de abertura do coletor afeta não somente a taxa de concentração como também a eficiência óptica e o mau dimensionamento desses fatores levam a perdas térmicas.

𝑊𝑎 = 2𝑟

𝑠𝑒𝑛(𝜃

) = 4𝑓 𝑡𝑎𝑛𝑔 (

2

) (2.8) Sendo:

𝑊

=Abertura da parábola (m);

𝜃

=Ângulo do quadrante (grau);

𝑓=Distância focal (m).

2.4.5 - Ângulo do arco de incidência solar

A refletividade é uma propriedade que determina a fração da radiação incidente

refletida por uma superfície; depende da direção da radiação incidente e radiação

refletida (PEREIRA et al., 2017).

15

Desta forma, para obter a posição do arco cujo ângulo ideal fará com que toda radiação incidente na superfície refletora seja direcionado ao absorvedor, deve ser escolhido segundo HE et al. (2011) de acordo com as coordenas cartesianas, esse procedimento é necessário para o posicionamento da calha parabólica seguindo o ângulo horário solar (ω), que corresponde ao deslocamento angular do movimento aparente do sol devido à rotação da terra e varia entre -180° e +180° e cada hora corresponde a 15° de variação do ângulo horário solar (OLIVEIRA, 2008). O ângulo horário pode ser observado em detalhe na Figura 2.7.

Figura 2.7 - Ângulos notáveis em solarimetria.

Fonte: TIBA e FRAIDENRAICH (2000).

De acordo com HE et al. (2011) sendo a parábola simétrica e o fluxo de calor também simétrico ao longo do eixo z, a amplitude do ângulo do círculo varia de -90º a 90º. Observando as coordenadas cilíndricas mostrada na Figura 2.8, o melhor ângulo para construção da calha parabólica é o de 90º, desta forma mantendo a abertura do concentrador neste ângulo, todo feixe de luz paralelo ao eixo proporcionará uma maior irradiação absorvida pelo sistema.

Figura 2.8 - Sistema de coordenadas cilíndricas.

Fonte: HE et al. (2011).

16 2.4. 6 - Seleção do diâmetro do tubo absorvedor

Conforme citado, o absorvedor tem um papel importante no sistema, pois se trata de um trocador de calor, onde será realizado o balanço energético do sistema, sua função é receber a irradiação solar transmiti-la para o fluido térmico de trabalho. O diâmetro do tubo é uma variável que interfere no cálculo da taxa de concentração; um parâmetro importante para o cálculo da eficiência térmica do sistema (KALOGIROU e LLOYD, 1984). Portanto, para a escolha do diâmetro do tubo absorvedor é necessário considerar a altura de abertura da calha, para que sejam asseguradas as relações de eficiências do sistema como um todo.

Segundo MATOS (2009) o tubo deverá apresentar uma boa condutibilidade para que o calor absorvido seja facilmente transmitido ao fluído. O material mais utilizado nas pesquisas experimentais é o cobre, sua condutibilidade térmica é da ordem de 400 W/m. Na Figura 2.9 podemos observar exemplos de tubos de cobre de vários diâmetros.

Figura 2.9 - Exemplo de tubos de cobre.

Fonte: MATOS (2009).

Foi demonstrado por INCROPERA (2003) que o tubo deve ter uma espessura que lhe dê resistência mecânica, porém, seja o mais fino possível para que a transferência de calor seja mais eficiente.

2.4.7 - Desempenho óptico do coletor

A eficiência óptica, segundo KALOGIROU (1996) é definida como a proporção

da energia absorvida pelo receptor para o incidente de energia na abertura do

concentrador.

17

𝜂

= 𝜌

𝜏

𝛼

𝛾 [(1 − 𝐴

) 𝑐𝑜𝑠(𝜃

)] (2.9) Sendo:

𝐴

=Fator geométrico;

𝛼

=Absorção do receptor;

𝜂

=Eficiência ótica;

𝜃

=Ângulo do quadrante (grau);

𝜌

=Reflexão do espelho;

𝜏

=Transmissão do material de cobertura;

𝛾=Fator de interceptação.

Segundo SOUZA FILHO (2008) dependendo do material e do grau de precisão que é construída a superfície refletora, a eficiência óptica representa um fator de características limitadoras no resultado global do sistema.

Para OLIVEIRA JUNIOR (2015) o alumínio polido é uma alternativa para a construção da superfície refletora, pois dependendo do processo de polimento de uma das faces a folha de alumínio, pode alcançar uma refletividade de até 90%. Essa superfície conta ainda com a proteção formada pela camada de óxido de alumínio (Alumina), decorrente da oxidação natural do material.

2.4.8 - Desempenho térmico do coletor

A eficiência térmica de um concentrador solar, segundo KALOGIROU e LLOYD (1984) é definida como a proporção da energia útil entregue ao incidente de energia na abertura do concentrador. O cálculo é obtido pelo balanço energético no receptor dado pela Eq. (2.10).

𝜂 = 𝜂

− (

𝐼 x 𝐶𝑅

) (2.10) Sendo:

𝜂=Eficiência térmica;

𝜂

=Eficiência óptica;

𝑈

=Coeficiente de perda de calor (W/m²K);

𝑇

=Temperatura média do receptor (ºC);

𝑇

=Temperatura ambiente (ºC);

18 𝐼=Radiação solar direta (W/m²);

𝐶𝑅=Taxa de concentração.

A taxa de concentração é obtida a partir da Eq. (2.11).

𝐶 =

𝜋 𝐷 (2.11)

Sendo:

C=Taxa de concentração;

Wa=Abertura da parábola (m);

D=Diâmetro do tubo.

Ainda segundo SOUZA FILHO (2008) assim como a eficiência óptica a eficiência térmica também constitui um fator limitador para o desempenho global do sistema.

2.4.9 – Eficiência instantânea do coletor

Segundo KALOGIROU (1996) as relações de eficiências são parâmetros importantes para o bom desempenho de concentradores solares, neste sentido, a eficiência instantânea é definida como a taxa de energia que é fornecida ao fluido de trabalho e depende da taxa de energia útil, da área de abertura do coletor e da quantidade de radiação solar que cai na parábola. Pode ser calcular através da Eq.

(2.12).

𝜂 =

𝐼 𝐴_𝑎

(2.12) Sendo:

𝜂=Eficiência térmica;

𝑞

=Taxa de energia;

𝐼=Radiação solar direta (W/m²);

𝐴

=Área receptora (m²).

Para o cálculo da eficiência instantânea é necessário conhecer também o valor da taxa de energia útil, que é calculada usando a Eq. (2.10).

𝑞

= 𝜂

𝐼 𝐴

− 𝑈

(𝑇

− 𝑇

) 𝐴

(2.10) Sendo:

𝑞

=Taxa de energia;

19 𝜂

=Eficiência óptica;

𝐼=Radiação solar direta (W/m²);

𝐴

=Área receptora (m²).

𝑈

=Coeficiente de perda de calor (W/m²K);

𝑇

=Temperatura média do receptor (ºC);

𝑇

=Temperatura ambiente (ºC).

2.4.10 - Sistema de rastreamento

Os rastreadores solares são dispositivos usados para orientar sistemas de concentração solar, a fim de aumentar a focalização da radiação solar em um receptor.

(SALLABERRY et al., 2015).

De acordo com OLIVEIRA (2008) os sistemas de rastreamento podem ser de dois tipos: ativos, impulsionados por motores ou passivos quando o sistema é impulsionado pelo deslocamento de um fluido, aquecido pela energia solar o qual muda o ponto de equilíbrio.

Segundo SUMATHI et al. (2017) rastreadores ativos com sistema de eixo único fornece apenas um grau de liberdade que atua como o eixo de rotação.

Para OLIVEIRA JUNIOR (2015) rastreadores ativos são aqueles que possuem alguma forma de controle eletromecânico que permitem o alinhamento do sistema com o sol, utilizando atuadores mecânicos, sensores e controlados por microprocessadores.

Dentre os tipos de rastreadores ativo, os rastreadores microprocessados, são aqueles em que a posição do equipamento em relação ao sol é definida por equações matemáticas que descrevem o movimento do sol sobre a terra (OLIVEIRA JUNIOR, 2015).

Uma classificação adicional atribuída aos coletores solares, segundo

KALOGIROU (2013) é através do potencial de rastreabilidade que estes apresentam em

relação aos raios solares, podendo ser estacionários, quando se mantem em

posicionamento constante em relação ao feixe direto da radiação, ou rastreadores, os

quais de acordo com o grau de liberdade, podem mover-se em um ou dois eixos. A

Tabela 2.2 apresenta esta classificação.

20

Tabela 2.2 - Classificação dos coletores solares por graus de rastreamento.

Motor Coletor Receptor Taxa de

concentração

Faixa de temperatura

(

C)

Estacionário

Solar Plano Plano 1 30 a 80

Tubular a

vácuo Plano 1 50 a 200

Parabólico

composto Tubular

1 – 5 60 a 240 5 – 15 60 - 300 Rastreamento

em 1 eixo

Refletor linear

Fresnel Tubular 10 – 40 60 a 250 Cilíndrico

Parabólico Tubular 10 – 85 60 a 400 Rastreamento

em 2 eixos

Disco

parabólico Pontual 600 – 20000 100 a 1500 Heliostato

(torre central) Pontual 300 – 1500 150 a 2000 Fonte: Adaptado de KALOGIROU (2013).

A Tabela 2.2 mostra as principais características de sistemas de rastreamento usados em alguns tipos de concentradores e os resultados obtidos no modo estacionário e movimentos dos eixos.

De acordo com KALOGIROU (2013) os posicionamentos do sistema para seguir o movimento diário de rotação da terra, em um único eixo podem ser conforme mostrado na Figura 2.10.

Figura 2.10 - Posicionamentos do sistema para seguir o movimento diário de rotação da terra.

Fonte: Adaptado de KALOGIROU (2013).

Para uma orientação no sentido Leste-Oeste, observando a Figura 2.10 tem-se

como vantagem; o fato de mover-se pouco ao longo de todo o dia e de sempre ficar

21

diretamente voltado para o sol ao meio-dia, enquanto que, o rastreamento no sentido norte-sul; possibilita os melhores ângulos de incidência no horário de meio-dia.

Segundo NSENGIYUMVA (2008) a posição instantânea do sol, descrita por um ângulo chamado “Ângulo de horas (ω)” representa a distância entre o meridiano que passa pelo sol e o meridiano do lugar. Esse ângulo é zero ao meio-dia e aumenta em direção ao leste à tarde. Considerando um rastreamento automatizado de forma hibrida, isto é, por sensores e pelo ângulo horário a posição instantânea aparente do sol de ser considerada para instalar adequadamente o concentrador solar no ponto de maior irradiância.

Neste sentido, visto que o modo de rastreamento afeta a quantidade de radiação incidente que cai na superfície do coletor, um sistema eletroeletrônico de rastreamento automatizado possibilita maior confiabilidade e precisão.

2.4.11 - Automação do rastreamento

Um instrumento importante para a automação trata-se do controlador programável, pois representam uma alternativa eficaz para fazer o controle de posição dos concentradores solares parabólicos. Neste sentido, um conceito geral é dado pela NEMA (National Electrical Manufacturers Association) para um CP (Controlador Programável): É um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções para implementação de funções especificas.

A Figura 2.11 mostra um exemplo de controlador lógico.

Figura 2.11 - Micro Controlador Programável CLIC-02.

Fonte: WEG Manual do usuário (2010).

Na automação além do controlador é necessária à utilização de sensores que são

dispositivos transdutores capazes de responder a um estimulo. O Resistor Dependente

22

de Luz - LDR é um dispositivo semicondutor de junção p-n, cuja região de operação é limitada à condução reversa (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004).

No sistema de rastreamento os sensores são inseridos em circuitos utilizados para adequar eletricamente os sinais de entrada que serão processados pelo microprocessador do CP (FRANCHI e CAMARGO, 2008).

2.4.12 - Controle de posição

Segundo NISE (2008) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos (ou plantas) reunidos com o propósito de controlar as saídas dos processos, isto é, fornece uma saída ou resposta para uma dada entrada ou estimulo. De modo geral, os sistemas são compostos de subsistemas do tipo: elétrico, mecânico e os eletromecânicos. A Figura 2.12 apresenta o exemplo geral de um sistema de controle em malha fechada e seus subsistemas.

Figura 2.12 - Exemplo de controle em malha fechada.

Fonte: NISE (2008).

O benefício de um sistema de controle é a precisão em mover grandes

equipamentos até mesmo remotamente, como por exemplo, um elevador que para

automaticamente no andar estabelecido. Ainda segundo NISE (2008), os sistemas de

controle são construídos por quatro razões: amplificação de potência, controle remoto,

facilidade do uso da forma de entrada e compensações de perturbações.

23 CAPÍTULO 3

MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capítulo será descrito os materiais e métodos utilizados para o projeto, construção e avaliação do protótipo de um concentrador solar cilíndrico parabólico com rastreamento manual e automatizado.

3.1 - MATERIAIS

Os materiais e a metodologia utilizada para execução do concentrador de calha parabólica será apresentada conforme diagrama de blocos mostrado na Figura 3.1.

Figura 3.1 – Diagrama de blocos.

A elaboração do projeto foi planejada de acordo com referencial teórico descrito na seção anterior, os cálculos para definir a distância focal e a plotagem da parábola foram executados no programa Wolfram Mathematica.

O concentrador solar parabólico foi construído com materiais reciclados:

pedaços de compensado com espessura de 30 mm, usados como molde para conformar a parábola, barras chata de liga de alumínio medindo 2” x 1/8” (50,8 mm x 3,175 mm ), utilizadas para a armação geral da calha e as com dimensões 1” x 1/8”(25,4 mm x 3,175 mm) para formar a superfície parabólica.

A superfície refletora foi montada com lâminas de alumínio polido com

dimensões de 0,22m x 1,08m e presas na ancoragem com rebites pop repuxo de

alumínio 510 - 4,8mm x 10,0mm, tubo de cobre com diâmetro de 19 mm,

concentricamente o tubo de cobre foi envolvido com tubo de vidro. Dois registros de

24

gaveta foram utilizados para controlar a passagem do fluido e um de inspeção para realizar as leituras de temperatura do fluido em escoamento.

O rastreamento manual foi elaborado com pedaços de barra quadrada de 2/3” x 2/3” x 23,62” (16,93 mm x 16,93 mm x 599,99 mm), fixadas na estrutura com rebites pop repuxo de alumínio 510 - 4,8mm x 10,0mm.

O concentrador experimental apresenta como característica principal o rastreamento automatizado que utiliza um microcontrolador CLIC 02 WEG, sensores do tipo LDR (Resistor dependente de Luz), um circuito eletrônico chamado de Ponte “H”, um motor de corrente continua de 12 V

um conjunto de redutores, ligado ao eixo da calha e condutores elétricos de cobre de 1mm² para fazer as conexões entre o microcontrolador, sensores e motor.

3.2 - METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Inicialmente a exemplo de CHAUHAN (1976), surgiu a ideia de construir uma lente fluida para concentrar a radiação solar, que foi confeccionada com barra de aço em forma circular e plástico translucido para conter a água, apesar das tentativas, não se obteve um foco puntiforme adequado para atingir a temperatura desejada. Utilizou-se então lente convencional de vidro, mas ao calcular a quantidade de lentes necessárias para compor um arranjo que permitisse atingir a temperatura desejada, o projeto se mostrou inviável devido ao alto custo e a área ocupada pelo conjunto, que ficaria maior que o equipamento. Desta forma a solução foi a construção de um concentrador solar, pois este, dependendo de suas características construtivas, possibilita alcançar temperaturas entre 60 a 400 ºC (KOLOGIROU, 2013).

3.2.1 - Dimensões do protótipo

Determinar os parâmetros geométricos é o ponto de partida para construção do protótipo experimental, para o qual foram utilizadas as Equações 2.5 e 2.6, citadas por MATOS (2009).

Os cálculos que definiram a abertura da parábola e distância focal

respectivamente foram executados, usando o programa Wolfram Mathematica e são

mostrados na Figura 3.2.

25

Figura 3.2 - Cálculo e formato da parábola do concentrador.

Com os resultados, o protótipo ficou com as dimensões físicas gerais definidas conforme apresentado na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 - Dimensões do concentrador de Calha Parabólica.

Descrição Valor

Área de abertura do coletor 0,80 m²

Abertura do coletor 0,80 m

Relação abertura comprimento 0,80

Ângulo da parábola 90º

Diâmetro do absorvedor 19 mm

Taxa de concentração 14

Comprimento 1 m

Os resultados numéricos obtidos da parábola e a distância focal foram utilizados

para plotar no papel milimetrado e em escala natural a forma parabólica da superfície

refletora. O traçado pode ser observado na Figura 3.3a. Posteriormente o perfil da

parábola traçado no papel, foi colado no compensado de espessura 30 mm, para que o

corte na madeira fosse reproduzido com a máxima precisão. Após o corte do

compensado o gabarito ficou conforme apresentado nas Figuras 3.3 e 3.4.

26

Figura 3.3 - Perfil da parábola em papel milimetrado.

Figura 3.4 - Gabarito em compensado para construção da estrutura.

Com o gabarito em compensado pronto, o mesmo foi utilizado para moldar as

barras de alumínio com dimensões: 1” x 1/8” (25,4 mm x 3,175 mm), que formaram a

ancoragem de sustentação das lâminas, depois de conformadas as barras foram fixadas

com rebite pop na peça de alumínio mais larga 2” x 1/8” (50,8 mm x 3,175 mm), e após

concluída as fixações as quatro extremidades foram amarradas com arame recozido nº

16. A Figura 3.5 mostra os detalhes da montagem da calha.

27

Figura 3.5 - Montagem da estrutura de ancoragem.

A estrutura da ancoragem principal do concentrador foi construída com as barras de alumínio 2” x 1/8” x 39,37” (50,8 mm x 3,175 mm x 1.000mm) alinhadas e pré- fixadas com arame galvanizado número 16; com o máximo cuidado para não deformar a superfície, posteriormente a estrutura foi soldadas para conceder à calha uma maior estabilidade. Após a soldagem o perfil ficou pronto para receber as lâminas de alumínio polido. A calha soldada pode ser observada na Figura 3.6.

Figura 3.6 – Calha montada para receber as Lâminas.

28

Para construção da superfície refletora utilizou-se alumínio polido, que além de ser fácil de moldar atingiu bons níveis de reflexão. Porém, infelizmente o alumínio apesar de apresentar a vantagem de ter um maior índice de reflexão é também mais susceptível a riscos, o que foi percebido ao longo dos ensaios. Uma visão geral da calha pronta é apresentada nas Figuras 3.7 e 3.8.

Figura 3.7 - Fixação das lâminas de alumínio.

Figura 3.8 - Lâminas sem o filme protetor.

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Concluída a estrutura de ancoragem, a distância focal foi marcada na lateral da calha no sentido longitudinal em uma barra de alumínio, soldada e furada para ser fixado o tubo absorvedor de cobre. Um primeiro ensaio do coletor foi realizado para confirmar a se tubo estava realmente posicionado na distância focal, mensurada a partir do cálculo efetuado usando a Eq. (3.6). A posição do tubo absorvedor instalado na linha focal é mostrada conforme Figura 3.9.

Figura 3.9 - Posição do tubo na linha focal.

O absorvedor é o principal componente térmico do sistema, sendo responsável pela troca de calor e onde o balanço energético é realizado. O material escolhido para o tubo absorvedor é o cobre, pois sua característica física apresenta uma boa condutibilidade térmica e a transferência de calor por condução é facilitada pela pouca espessura da parede do material, porém sem comprometer a proteção mecânica necessária ao tudo devido o aumento da pressão, quando o fluido ganha energia térmica e circula em seu interior.

O ângulo do arco usado para se obter o melhor aproveitamento da irradiação

solar é o de 90º, tomando como referência os estudos de HE et al. (1984) que

determinaram a partir de modelamento matemático, como sendo o mais apropriado. A

Figura 3.10 mostra o tubo absorvedor fixado na linha focal recebendo a energia

radiante; em sua superfície é possível também notar alguns pontos escuros no espectro