Estudo experimental de um concentrador solar cilíndrico parabólico

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ENGENHARIA MECÂNICA

RICARDO ANDREANI NETZEL

ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM CONCENTRADOR SOLAR

CILÍNDRICO PARABÓLICO

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

LONDRINA 2019

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ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM CONCENTRADOR SOLAR

CILÍNDRICO PARABÓLICO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica, do Departamento acadêmico de Engenharia Mecânica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

Orientador: Prof. Dr. Ismael de Marchi Neto Co-orientador: Prof. Dr. Rodrigo Corrêa da Silva

LONDRINA 2019

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TERMO DE APROVAÇÃO

ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM CONCENTRADOR SOLAR CILÍNDRICO PARABÓLICO

por

RICARDO ANDREANI NETZEL

Este(a) Trabalho de Conclusão de Curso foi apresentado(a) em 29 de novembro de 2019 como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em engenharia mecânica. O(a) candidato(a) foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

__________________________________ (Ismael de Marchi Neto)

Prof. Orientador

___________________________________ (Rafael Sene de lima)

Membro titular

___________________________________ (Ricardo de Vasconcelos Salvo)

Membro titular

- O Termo de Aprovação assinado encontra-se na Coordenação do Curso -

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Possivelmente estes parágrafos não irão englobar todas as pessoas que fizeram parte dessa importante fase de minha vida. Portanto, desde já peço desculpas àquelas que não estão presentes entre essas palavras, mas elas podem estar certas que fazem parte do meu pensamento e de minha gratidão.

Desse modo, gostaria de agradecer primeiramente meu orientador Prof. Dr. Ismael de Marchi Neto, Co-orientador Prof. Dr. Rodrigo Corrêa da Silva e a Prof(a). Dr(a). Elizabeth Mie Hashimoto pela amizade, apoio, incentivo e pelos importantes ensinamentos prestados, tanto científicos quanto pessoais.

Aos meus colegas de sala e de pesquisa Bruno Silva Ladeira e Everton de Souza Ribeiro, no auxílio prestado durante o desenvolvimento do trabalho.

Gostaria de deixar registrado também, o meu reconhecimento aos meus pais, Adolfo Ricardo Netzel e Maristela Andreani Netzel, pois acredito que sem o apoio teria sido impossível vencer esse desafio.

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NETZEL, Ricardo Andreani. ESTUDO EXPERIMENTAL DE UM CONCENTRADOR SOLAR CILÍNDRICO PARABÓLICO. 2019. 137. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Londrina, 2019.

Devido à alta demanda por energia, a utilização de fontes extremante poluidoras e de origem não renovável se tornou rotineira nas últimas décadas. Atualmente, a utilização de fontes de energia renováveis está se tornando cada vez mais comum, devido as metas impostas sobre a emissão de poluentes, principalmente na Europa e na américa do Norte. Dentre as fontes de energias renováveis (hidráulica, biomassa, eólica e solar), a que mais se destaca é a solar pela sua disponibilidade principalmente em regiões tropicais, devido aos elevados níveis de radiação incidente sobre a superfície terrestre. Com base nesse fato, a presente proposta consiste na construção de um concentrador solar parabólico, tendo como o objetivo principal a análise de sua eficiência térmica. Os estudos baseiam-se na utilização de duas configurações de tubos concentradores: tubo de cobre sem pintura seletiva e tubo de cobre com pintura seletiva. Além da eficiência térmica do concentrador, uma análise de regressão linear visará determinar a influência das variáveis controláveis e incontroláveis no comportamento do dispositivo. Os experimentos envolvendo a configuração de tubo concentrador sem pintura seletiva obtiveram uma eficiência térmica média de 28,99%, enquanto que a eficiência térmica do dispositivo, utilizando-se da configuração de tubo concentrador com pintura seletiva foi de 36,69%. Os níveis de temperatura e o horário de operação relacionam-se de forma inversamente proporcional com a eficiência térmica do concentrador, enquanto que a radiação solar incidente apresenta uma relação diretamente proporcional com a eficiência térmica do dispositivo.

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NETZEL, Ricardo Andreani. EXPERIMENTAL STUDY OF A PARABOLIC TROUGH SOLAR CONCENTRATOR. 2019. 137. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em engenharia mecânica) - Federal Technology University - Parana. Londrina, 2019.

Due to high energy demand the use of high polluting and non-renewable energy source became common in the last decades. Currently, the use of renewable energy sources is increasing due to the goals imposed on the emission of pollutants, mainly in Europe and North America. Among the sources of renewable energies (hydropower, biomass, wind and solar), the most outstanding is the solar because of its availability mainly in the tropical regions, due to the high levels of incident radiation on the earth's surface. Based on this fact, the present proposal consists in the construction of a parabolic solar concentrator, with the main objective being the analysis of its thermal efficiency. The studies will be based on the use of two concentrator tubes configurations: copper tube without selective paint and copper tube with selective paint. In addition to the efficiency analysis, a linear regression analysis will also be used to determine the influence of the controllable and uncontrollable variables on the device behavior. The experiments involving the unpainted concentrator tube configuration obtained an average thermal efficiency of 28.99%, while the thermal efficiency using the painted concentrator tube configuration was 36.69%. Temperature levels and operating hours are inversely related to the thermal efficiency of the concentrator, while incident solar radiation is directly proportional to the thermal efficiency of the device.

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Figura 1 - Aquecedor solar plano fechado... 17

Figura 2 - Aquecedor solar plano aberto. ... 18

Figura 3 - Coletor solar do tipo tubo evacuado. ... 18

Figura 4 - Configurações possíveis para os sistemas de conversão de energia. ... 20

Figura 5 - Curva evoluta geradora do CPC. ... 22

Figura 6 - Concentrador solar do tipo refletor linear de Fresnel. ... 23

Figura 7 - Campo de concentração helióstato. ... 24

Figura 8 - Concentrador solar parabólico. ... 25

Figura 9 - Concentrador solar parabólico. ... 25

Figura 10 - Sistema de rastreamento solar para PTC. ... 26

Figura 11 - Concentradores solares instalados em Meadi, Cairo. ... 28

Figura 12 - Projeto do concentrador solar utilizando-se o Solidworks® CAD 3D. ... 34

Figura 13 – Linha focal do concentrador solar cilíndrico parabólico... 35

Figura 14 - Seção transversal do concentrador solar cilíndrico parabólico. ... 36

Figura 15 - Geometria da calha concentradora. ... 38

Figura 16 - Montagem da calha concentradora. ... 39

Figura 17 - Montagem da base principal do concentrador solar. ... 39

Figura 18 - Finalização da base do concentrador solar. ... 40

Figura 19 - Espelhos utilizados na montagem da calha concentradora. ... 40

Figura 20 - Colagem e ajuste dos espelhos na parábola. ... 41

Figura 21 - Base do concentrador solar. ... 41

Figura 22 - Sistema mecânico responsável pelo rastreamento solar: (a) suporte móvel e (b) motor de passo. ... 42

Figura 23 - Concentrador solar. ... 42

Figura 24 - Sensores responsáveis pelo rastreamento solar: (a) Conjunto completo; (b) LDR. ... 43

Figura 25 - Circuito elétrico do sistema de rastreamento solar. ... 44

Figura 26 - Reservatório térmico. ... 45

Figura 27 - Registro do tipo gaveta. ... 45

Figura 28 - Ângulo Zenith. ... 48

Figura 29 - Declinação solar. ... 49

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Figura 34 - Radiação solar e calor absorvido durante o experimento 1 (30/08/18). ... 59

Figura 36 - Comportamento térmico do concentrado solar: (a) temperatura e (b) eficiência térmica do concentrador durante o experimento 1 (27/08/18). ... 61

Figura 37 - Comportamento térmico do concentrado solar: (a) temperatura e (b) eficiência térmica do concentrador durante o experimento 1 (28/08/18). ... 62

Figura 38 - Comportamento térmico do concentrado solar: (a) temperatura e (b) eficiência do concentrador durante o experimento 1 (29/08/18). ... 63

‘Figura 39 - Comportamento térmico do concentrado solar: (a) temperatura e (b) eficiência do concentrador durante o experimento 1 (30/08/18). ... 63

Figura 41 - Eficiência de segunda lei experimental e empírica no experimento 1 (27/08/18). 65 Figura 42 - Eficiência de segunda lei experimental e empírica no experimento 1 (28/08/18). 65 Figura 43 - Eficiência de segunda lei experimental e empírica no experimento 1 (29/08/18). 66 Figura 44 - Eficiência de segunda lei experimental e empírica no experimento 1 (30/08/18). 66 Figura 45 - Eficiência de segunda lei experimental e empírica no experimento 1 (31/08/18). 67 Figura 46 - Boxplot da radiação solar incidente durante o experimento 1. ... 69

Figura 47 - Boxplot da temperatura ambiente durante o experimento 1. ... 69

Figura 48 - Boxplot da temperatura de entrada do fluido de trabalho durante o experimento 1. ... 70

Figura 49 - Boxplot da temperatura de saída do fluido de trabalho durante o experimento 1. 71 Figura 50 - Eficiência térmica em função da radiação incidente experimento 1. ... 72

Figura 51 - Perdas de energia em função da radiação incidente experimento 1. ... 73

Figura 52 - Eficiência térmica em função da temperatura de saída do fluido de trabalho experimento 1. ... 73

Figura 53 - Eficiência térmica em função da temperatura de entrada do fluido de trabalho experimento 1. ... 74

Figura 54 - Eficiência térmica em função da temperatura ambiente experimento 1. ... 75

Figura 55 - Eficiência térmica em função do período de operação experimento 1. ... 76

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Figura 62 - Comportamento térmico do concentrado solar: (a) temperatura e (b) eficiência do

concentrador durante o experimento 2 (13/08/19). ... 81

Figura 65 - Comportamento térmico do concentrado solar: (a) temperatura e (b) eficiência do concentrador durante o experimento (16/08/19). ... 84

Figura 66 - Eficiência de segunda lei experimental e empírica no experimento 2 (12/08/19). 85 Figura 67 - Eficiência de segunda lei experimental e empírica no experimento 2 (13/08/19). 85 Figura 68 - Eficiência de segunda lei experimental e empírica no experimento 2 (14/08/19). 86 Figura 69 - Eficiência de segunda lei experimental e empírica no experimento 2 (15/08/19). 86 Figura 70 - Eficiência de segunda lei experimental e empírica no experimento 2 (16/08/19). 87 Figura 71 - Boxplot da radiação solar incidente durante o experimento 2. ... 89

Figura 72 - Boxplot da temperatura ambiente durante o experimento 2. ... 89

Figura 73 - Boxplot da temperatura de entrada do fluido de trabalho durante o experimento 2. ... 90

Figura 74 - Boxplot da temperatura de saída do fluido de trabalho durante o experimento 2. 91 Figura 75 - Eficiência térmica em função da radiação incidente experimento 2. ... 92

Figura 76 - Regressão linear das perdas de energia em função da radiação incidente experimento 2. ... 93

Figura 77 – Eficiência térmica em função da temperatura de saída do fluido de trabalho experimento 2. ... 93

Figura 78 – Perdas de energia em função da temperatura superficial na saída durante o experimento 2. ... 94

Figura 79 – Eficiência térmica em função da temperatura de entrada do fluido de trabalho experimento 2. ... 95

Figura 80 - Eficiência térmica em função da temperatura ambiente experimento 2. ... 96

Figura 81 – Perdas de energia ao longo do experimento 2. ... 96

Figura 82 – Eficiência térmica em função do período de operação experimento 2. ... 97

Figura 83 – Temperatura ambiente média durante os experimentos. ... 98

Figura 84 – Radiação solar incidente média no concentrador solar durante os experimentos. 99 Figura 85 – Temperatura de entrada média do fluido de trabalho durante os experimentos. 100 Figura 86 – Temperatura de saída média do fluido de trabalho durante os experimentos. .... 100

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Tabela 1 - Lista de materiais... 33

Tabela 2 – Incerteza das variáveis mensuradas ... 56

Tabela 3 - Calor absorvido médio e erro relativo durante o experimento 1 ... 60

Tabela 4 - Dados médios referentes ao experimento 1 ... 68

Tabela 5 - Dados médios referentes a eficiência de segunda lei durante o experimento 1 ... 68

Tabela 6 - Calor absorvido médio e erro relativo durante o experimento 2 ... 79

Tabela 7 - Dados médios referentes ao experimento 2 ... 88

Tabela 8 - Dados médios referentes a eficiência de segunda lei durante o experimento 2 ... 88

Tabela 9 - Dados médios juntamente de suas incertezas referentes aos experimentos 1 e 2 . 102 Tabela C1 – Dados Análise de Incertezas experimento 1 (Temperaturas, Vazão mássica e calor absorvido) ... 121

Tabela C2 – Dados Análise de Incertezas experimento 1 (Radiação solar, Área de abertura e Eficiência) ... 124

Tabela C3 – Dados Análise de Incertezas experimento 2 (Temperaturas, Vazão mássica e calor absorvido) ... 127

Tabela C4 – Dados Análise de Incertezas experimento 2 (Radiação solar, Área de abertura e Eficiência) ... 130

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𝐴 Área de abertura, [m2]

𝐴 Fator geométrico

𝐴 Área sombreada, [m2_]

𝛼 Absortividade do tubo concentrador

𝐴 Área superficial do tubo concentrador, [m2] 𝛽 Parâmetro a ser estimado para o coeficiente linear 𝛽 Parâmetro a ser estimado para o coeficiente angular

𝐶 Fator de concentração

𝐶 Constante da correlação de Hilpert

𝑐 Calor específico a pressão constante da água, [kJ/kg.K]

𝐷 Diâmetro do tubo concentrador, [m]

𝛿 Declinação solar, [º]

𝛥𝛹 Variação de exergia, [W]

𝜀 Emissividade do tubo concentrador

𝜂 Eficiência ótica

𝜂 Eficiência de primeira lei da termodinâmica

𝜂 _, Eficiência empírica de primeira lei da termodinâmica 𝜂 Eficiência de segunda lei da termodinâmica

𝜂 _, Eficiência empírica de segunda lei da termodinâmica

𝑓 Distancia focal, [m]

𝐺 Radiação solar incidente, [W/m2]

ℎ Ângulo hora, [º]

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ℎ Coeficiente de transferência de calor por radiação, [W/m2.K]

ℎ𝑟𝑠 Hora do dia, [h]

ℎ Entalpia da água estado morto, [kJ/kg]

ℎ Entalpia da água na entrada do tubo concentrador, [kJ/kg] ℎ Entalpia da água na saída do tubo concentrador, [kJ/kg]

ℎ , Entalpia empírica da água na saída do tubo concentrador, [kJ/kg]

𝐾 Condutividade térmica do ar, [W/m.K]

𝐿 Comprimento do concentrador solar, [m]

𝐿𝑎𝑡 Latitude, [º]

𝑚 Constante da correlação de Hilpert

𝑚̇ Vazão mássica, [kg/s]

𝑚 Massa de água, [kg]

𝑁 Dia do ano

𝜈 Viscosidade cinemática do ar, [m2_/s]

𝑁𝑢 Número de Nusselt do ar

𝛷 Ângulo Zenith, [º]

𝜑 Ângulo da parábola, [º]

𝜑 Ângulo máximo da parábola, [º]

𝑃𝑟 Número de Prandtl do ar

𝛹 Exergia da água na entrada do tubo concentrador, [W] 𝛹 Exergia da água na saída do tubo concentrador, [W]

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𝑄 Calor absorvido empírico, [W]

𝑅 Raio do tubo concentrador, [m]

𝑟 Raio da parábola, [m]

𝑅 _, Resistencia térmica da convecção externa, [m2_{.K /W]}

𝑅𝑒 Número de Reynolds

𝜌 Refletância dos espelhos

𝜌 Comprimento da evoluta, [m]

rr Raio máximo da parábola, [m]

𝑅 Resistencia térmica de radiação, [m2_{.K /W]}

𝑆 Comprimento da parábola, [m]

𝜎 Constante de Stefan–Boltzmann, [W/m2_.K4_]

𝑆 Entropia da água estado morto, [kJ/kg.K]

𝑆 Entropia da água na entrada do tubo concentrador, [kJ/kg.K] 𝑆 Entropia da água na saída do tubo concentrador, [kJ/kg.K]

𝑆 _, Entropia empírica da água na saída do tubo concentrador, [kJ/kg.K]

𝑡 Tempo, [s]

𝑇 Temperatura ambiente, [ºC]

𝜏 Transmissividade do tubo de vidro

𝜃 Ângulo da evoluta, [º]

θc Ângulo de abertura da evoluta, [º]

θm Meio ângulo de incidência aceitável, [º]

𝜃 Ângulo de incidência, [º]

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𝑇 Temperatura da superfície do tubo concentrador, [ºC] 𝑇 Temperatura aparente do sol, [ºC]

𝑈 Coeficiente de perdas de energia, [W/m2_.K]

𝑉 Velocidade do ar, [m/s] 𝑊 Largura da parábola, [m]

𝑋 Exergia destruída, [W]

𝑋 Exergia destruída empírica, [W]

𝑋 Exergia que entra no sistema, [W] 𝑋 Exergia presente na radiação solar, [W] 𝑋 Exergia que sai no sistema, [W]

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OBJETIVOS ... 14

JUSTIFICATIVA ... 14

FORMAS DE APROVEITAMENTO ... 16

Conversão Direta de Energia ... 16

Aquecimento solar ... 17

Energia solar fotovoltaica ... 19

Conversão Indireta de Energia ... 20

CONCENTRADOR SOLAR ... 21

Concentradores Estacionários ... 21

Concentradores com Sistema de Rastreamento ... 22

Refletor linear de Fresnel ... 23

Concentrador de campo helióstato ... 23

Refletor de prato parabólico ... 24

Concentrador cilíndrico parabólico ... 25

CONCENTRADOR CILÍNDRICO PARABÓLICO ... 27

Histórico ... 27

MATERIAIS UTILIZADOS... 33

PROJETO DO CONCENTRADOR SOLAR ... 34

Geometria do Concentrador ... 35

Projeto da Calha Concentradora... 37

CONSTRUÇÃO DO CONCENTRADOR SOLAR ... 38

SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO ... 43

SISTEMA HIDRÁULICO ... 44

INSTRUMENTAÇÃO E COLETA DE DADOS ... 46

ANÁLISE TÉRMICA ... 46

Eficiência Térmica Experimental ... 46

Eficiência Ótica ... 47

Eficiência Térmica Empírica... 49

INTRODUÇÃO ... 13

REFERENCIAL TEÓRICO ... 16

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EXPERIMENTO 1: TUBO ABSORVEDOR SEM PINTURA SELETIVA. ... 57

EXPERIMENTO 2: TUBO ABSORVEDOR COM PINTURA SELETIVA. ... 76

COMPARAÇÃO ENTRE AS CONFIGURAÇÕES DE TUBO ABSORVEDOR ... 98

RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 57

CONCLUSÃO ... 104

REFERÊNCIAS ... 106

APÊNDICE A – PROGRAMAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE ... 111

APÊNDICE B – CODIGO DE ANÁLISE DE DADOS ... 116

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INTRODUÇÃO

Durante a história diversos equipamentos foram desenvolvidos com o intuito de fornecer mais conforto e praticidade no cotidiano. Entretanto, para ocorrer o avanço tecnológico necessitou-se cada vez mais de energia, obtendo-se assim uma relação direta entre a demanda recursos energéticos e o grau de desenvolvimento de um país.

A necessidade desenfreada por energia resultou na utilização de fontes extremante poluidoras para sua geração, baseando-se principalmente na queima de combustíveis fosseis. Atualmente, há um consenso científico de que o consumo desenfreado desses combustíveis, seja na geração de energia ou locomoção, está resultando em mudanças climáticas extremas.

Consequentemente, nos últimos anos discussões sobre a redução da emissão de poluentes e a substituição da matriz energética tradicional por fontes renováveis tem ganhado cada vez mais força, principalmente na Europa e na américa do Norte, onde as metas para redução das emissões de poluentes estão se tornando cada vez mais rígidas.

Ao se observar a matriz energética global verifica-se que os combustíveis fosseis suprem 79,5% da demanda energética mundial, sendo 73,5% referente apenas a geração de energia elétrica (REN21, 2018). Já ao se analisar a matriz energética brasileira observa-se que 42,9% de sua demanda é suprida por fontes renováveis. Tratando-se apenas da geração de energia elétrica, 80,4% da geração é proveniente de fontes renováveis, sendo a geração hidráulica a maior responsável (EPE, 2018).

A utilização da energia renovável, juntamente com o uso racional e de modo eficiente, pode ser capaz de solucionar tais problemas ambientais. Dentre as fontes de energias renováveis se encontram a hidráulica, biomassa e eólica. Porém, a que mais se destaca é a solar, por ser geograficamente bem distribuída, entretanto sua utilização depende dos fatores climáticos de cada região. A irradiação incidente na terra é equivalente a 21 bilhões de toneladas de carvão por hora, o que demonstra o seu elevado potencial para geração de energia (LLP, 2009).

A radiação solar que atinge a superfície externa da atmosfera terrestre, apresenta um fluxo de médio de 1367 W/m2_{, porém, ao atravessar a atmosfera, a radiação é atenuada através de}

diversos processos físicos de absorção e reflexão. Cerca de 30% da radiação incidente no planeta é refletida pelas nuvens, gases e particulados presentes na atmosfera, sendo o ozônio o principal responsável por absorver a radiação ultravioleta (PEREIRA et al., 2006).

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A radiação solar que atinge a superfície terrestre é constituída pela radiação direta e pela difusa. Para a utilização da energia solar a componente da radiação mais importante é a direta, a qual é definida como sendo a radiação que atinge a superfície terrestre sem sofrer mudanças de direção. Já a outra componente da radiação denominada de difusa, é resultante dos processos de interação que a radiação sofre com a atmosfera.

A utilização da energia solar pode se dar de forma ativa ou passiva. A forma ativa é subdividida em sistemas de conversão direta e indireta de energia. Dentre as diretas encontra-se os coletores solares e as placas fotovoltaicas. Na forma indireta pode-encontra-se citar o uso de concentradores solares, os quais podem operar em conjunto com os ciclos Rankine, possibilitando a geração de energia elétrica, substituindo assim o modelo das fontes tradicionais. Na forma passiva há técnicas de aproveitamento da luminosidade solar incidente, as quais recebem o nome de arquitetura solar consistindo em janelas, claraboias, dentre outros (ANEEL, 2002).

OBJETIVOS

O presente trabalho tem como objetivo principal projetar, construir e avaliar o desempenho de um concentrador solar parabólico, por meio da análise da eficiência térmica de Primeira e de Segunda Lei da Termodinâmica. O trabalho também contará com uma análise estatística, de modo a avaliar a influência dos parâmetros controláveis e incontroláveis sob o desempenho do equipamento, além da análise de incerteza dos resultados obtidos.

JUSTIFICATIVA

A utilização da energia solar é de extrema importância para a substituição da matriz energética tradicional, pela nova matriz composta por fontes renováveis. Dentre os principais dispositivos capazes realizar tal substituição se encontra o concentrador solar, um dos principais exemplares responsáveis pela conversão indireta da energia solar.

Tendo em vista que no Brasil há pouca pesquisa nesta área e nenhuma planta de conversão de energia solar construída utilizando-se dessa tecnologia, o trabalho se mostra extremamente relevante. Principalmente pelo fato de haver países que apresentam um potencial de geração

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muito menor que o brasileiro, porém, detém um conhecimento tecnológico na área muito superior ao encontrado no Brasil.

Entretanto, ao analisar a variabilidade de tal fonte em todo território brasileiro, nota-se que a região nordeste do país apresenta uma radiação global média de 5,9 kWh/m2_{, enquanto}

que a região sul apresenta as menores médias, de aproximadamente 5,2 kWh/m2_{. Observa-se}

também que durante um período de dez anos as médias anuais se situaram entre 5,7 e 6,1 kWh/m2_{na região nordeste e entre 4,6 e 6,0 kWh/m}2_{na região sul do país. Já para todo o}

território nacional totaliza-se uma média de 5,6 kWh/m2_{. Em contrapartida os países europeus}

que detém os principais conhecimentos na área apresentam índices de radiação solar muito inferiores ao brasileiro, como por exemplo a Alemanha (0,9-1,25 kWh/m2_{), França (0,90-1,65}

kWh/m2_{) e Espanha (1,20-1,85 kWh/m}2_{) (Pereira et al., 2006).}

Este trabalho permitirá a aplicação conjunta dos conhecimentos obtidos na área térmica da engenharia mecânica e do conhecimento estatístico adquirido ao longo do curso. Dessa forma, uma análise precisa dos resultados poderá ser obtida, verificando assim a influência das variáveis na eficiência térmica do concentrador solar.

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REFERENCIAL TEÓRICO

No presente capítulo serão abordadas as formas de aproveitamento da energia solar e os dispositivos empregados. Ao final será apresentado um breve histórico das pesquisas já realizadas, bem como seus resultados.

FORMAS DE APROVEITAMENTO

Toda energia proveniente do sol pode ser utilizada de forma direta ou indireta. Dessa forma, a energia solar pode ser empregue tanto para a iluminação e aquecimento de ambientes, como para o aquecimento de fluidos, os quais poderão ser utilizados na geração de trabalho mecânico.

O aproveitamento da iluminação e do calor natural para aquecimento e iluminação de ambientes é denominado de aquecimento solar passivo, o qual é proveniente da incidência direta da radiação solar. Desse modo, há uma redução na necessidade de se utilizar iluminação artificial e de sistemas de aquecimento, uma vez que essa radiação solar pode ser aproveitada com a ajuda de técnicas provenientes da arquitetura.

A utilização da radiação solar para o aquecimento de fluidos pode ser realizada por meio de coletores e concentradores solares. Os coletores solares são mais utilizados em aplicações residenciais e comerciais onde se necessita de água aquecida em médias temperaturas. Os concentradores solares já são mais voltados a aplicações que necessitam de elevadas temperaturas, como na secagem de grãos e na produção de vapor, o qual pode ser utilizado em uma turbina, e por meio dessa movimentar um gerador produzindo-se assim energia elétrica (ALVES, 2013).

Conversão Direta de Energia

Um sistema de conversão direta da energia solar é caracterizado por apresentam ao final do processo de conversão a forma de energia que se deseja, seja ela água aquecida ou energia elétrica. Dentre elas podem-se destacar o aquecimento solar e fotovoltaico, os quais serão abordados nos itens a seguir.

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Aquecimento solar

A conversão direta pode ocorrer por meio da transferência de energia proveniente da radiação solar a um fluido, normalmente água, a qual é aquecida e armazenada. A circulação de água dentro do sistema pode ser realizada utilizando-se bombas ou por meio do princípio de termossifão, também conhecido como convecção natural. A convecção natural se baseia na variação de densidade da água em função de sua temperatura, causando uma variação de velocidade do fluido no interior do sistema.

Os coletores solares são divididos em três categorias, coletor solar plano fechado, coletor solar plano aberto e tubo evacuado. O coletor solar plano fechado (Figura 1) é usado para aquecer fluidos a uma temperatura de até 60ºC. Esse coletor é constituído por um caixa metálica, isolada termicamente, e tubos metálicos por onde o fluido irá escoar e trocar calor. A superfície interna do coletor é pintada com uma tinta seletiva de modo melhorar a sua eficiência (Baptista, 2006).

Figura 1 - Aquecedor solar plano fechado.

Fonte: Kalogirou (2009).

O coletor solar aberto (Figura 2) é normalmente construído utilizando-se um material polimérico. São desprovidos de uma cobertura externa ou isolamento, pois operam a temperaturas baixas, de até 30ºC. São normalmente utilizados para o aquecimento de piscinas (Baptista, 2006).

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Figura 2 - Aquecedor solar plano aberto.

Fonte: Adaptado de Kalogirou (2009).

Os coletores solares do tipo tubo evacuados (Figura 3a) são os que apresentam a melhor eficiência e maior custo. Dentre os mais convencionais existem os coletores evacuados do tipo U. Esse tipo de coletor é constituído de um tudo de cobre no formato de U inserido em um tubo de vidro externo de parede dupla. Entre eles há uma região com vácuo que visa reduzir as perdas térmicas (Figura 3b), além de uma aleta cilíndrica com pintura seletiva. Esse tipo de coletor é normalmente utilizado em processos de pré-aquecimento industrial e também para o aquecimento de água.

Figura 3 - Coletor solar do tipo tubo evacuado.

(a) (b)

Fonte: Kalogirou (2009), Avallone (2017).

Em um estudo realizado em 2017 pela Agencia Internacional de Energia (IEA) foram analisados os principais países usuários dessa tecnologia de aquecimento. O estudo apontou que a capacidade instalada no momento era de 457 GWth, correspondendo a 653 milhões de metros quadrados. Deste total, cerca de 428 GWth eram referentes a coletores do tipo plano

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fechado e de tubos evacuados, enquanto os outros 27,8 GWth correspondiam a coletores planos do tipo aberto. A parcela faltante corresponde aos coletores de ar responsáveis pela secagem de produtos agrícolas e aquecimento de ambientes. No brasil o estudo apontou uma capacidade instalada de 9,55 GWth. Sendo 6,2 GWth referentes aos coletores solares do tipo fechado, 3,3 GWth referentes aos coletores solares do tipo aberto e 5,1 MWth referentes aos coletores solares do tipo tubo evacuado (Weiss et al., 2018).

Energia solar fotovoltaica

A energia solar fotovoltaica é obtida através da conversão direta da radiação solar em energia elétrica. Seu funcionamento baseia-se na diferença de potencial gerada entre dois matérias semicondutores, quando estes absorvem a radiação solar. As células fotovoltaicas que compõe os módulos comerciais apresentam uma eficiência máxima de 25% (SINGH, 2008).

Um sistema fotovoltaico funciona por meio de módulos contendo várias células solares, por onde a radiação solar é captada. Os módulos podem possuir diversos tamanhos, os quais interferem diretamente na potência gerada e na sua eficiência. Outro equipamento necessário ao sistema é o inversor de frequência, que é responsável por converter a corrente continua gerada pelos módulos em corrente alternada, permitindo assim o uso da energia gerada. Pode se utilizar também baterias para se armazenar a energia gerada.

Dentre as aplicações mais comuns de tal sistema são: iluminação pública e privada, irrigação, indústria aeroespacial e em campos solares para produção de energia em grande escala.

A primeira placa fotovoltaica foi desenvolvida em 1877 por Charles Fritts, sua célula era constituída por três materiais (selênio, aço e ouro), já a sua eficiência era inferior a 1%. A primeira célula fotovoltaica moderna fabricada a partir do silício foi desenvolvida apenas em 1954, apresentando uma eficiência de 6% (SZABO, 2017).

A eficiência de conversão de energia das placas fotovoltaicas começou a evoluir apenas a partir da década de sessenta e setenta devido à corrida aeroespacial. Já o interesse por tal tecnologia para sua aplicação em solo terrestre se iniciou-se apenas em 1973, devido à crise do petróleo.

Atualmente a capacidade mundial instalada corresponde a 402 GWel, já no Brasil a

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Conversão Indireta de Energia

A conversão indireta se deve ao fato da energia solar não ser convertida diretamente na forma desejada de energia, necessitando-se de etapas intermediárias de conversão. Na conversão em grande escala o dispositivo mais utilizado é o concentrador solar, o qual é utilizado para aquecer um fluido, normalmente água, glicol ou óleo térmico.

O fluido aquecido segue a um trocador de calor que realizará a troca de calor entre o fluido de trabalho dos concentradores e o fluido de trabalho do sistema de conversão intermediário, normalmente um ciclo Rankine. Através desse ciclo a energia térmica é convertida em mecânica, através de uma turbina, a qual é acoplada a geradores, produzindo-se assim energia elétrica.

Os sistemas de conversão por serem baseados em uma máquina térmica, apresentam uma eficiência térmica limitada. Já a eficiência dos concentradores é diretamente relacionada com a temperatura de seu fluido de trabalho, logo cria-se a necessidade de se encontrar um ponto de equilíbrio entre o ciclo térmico e o sistema de concentradores solares, de modo a obter a máxima eficiência do ciclo de conversão de energia.

Além disso, as usinas podem contar com sistemas de armazenamento térmico ou queimadores auxiliares, os quais visam manter a estabilidade na geração de energia. A Figura 4 apresenta quatro configurações possíveis para os sistemas de conversão indireta utilizando concentradores solares.

Figura 4 - Configurações possíveis para os sistemas de conversão de energia.

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As tecnologias de conversão são classificas de acordo com o tipo de concentrador utilizado, os principais tipos são: Calha parabólica, Torre de concentração, Lentes Fresnel e Prato parabólico.

No final do ano de 2017 a capacidade mundial instalada para produção de energia utilizando-se dessa tecnologia era de 4,9 GW. Os maiores produtores de energia que utilizam dessa tecnologia para geração de energia elétrica são: Espanha (2,3 GW), Estados Unidos (1,74 GW), África do Sul (0,3 GW) e Índia (0,225 GW) (REN21, 2018).

O Brasil por sua vez não possui nenhuma usina de conversão indireta que se utiliza da energia solar. As únicas usinas instaladas no país utilizam a biomassa para geração de energia elétrica.

CONCENTRADOR SOLAR

Os concentradores solares possuem uma superfície refletora, a qual tem a função de captar a radiação solar incidente e concentrá-la em uma pequena área receptora, aumentando assim o fluxo de radiação. Uma das características geométricas mais importantes do concentrador é a sua razão de concentração, que é definida como sendo a razão entre a área de abertura do coletor pela área do absorvedor.

Os concentradores solares podem ser distinguidos em função do seu sistema de posicionamento, o qual pode ser estacionário ou não estacionário. Nos sistemas estacionários a concentração da radiação independe de seu ângulo de incidência, já nos sistemas não estacionários o sistema de posicionamento dos concentradores deve garantir que a radiação incidente atinja a sua área de abertura perpendicularmente.

Concentradores Estacionários

O Coletor Parabólico Composto (CPC) é o único concentrador que trabalha de maneira estacionária, devido a sua geometria baseada na evoluta de um círculo. Consequentemente todos raios solares que incidem em sua área de abertura, independentemente de sua orientação, são refletidos e concentrados no tubo absorvedor.

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Sua geometria pode ser obtida utilizando-se a Equação 1. Considerando-se o ângulo de abertura θc, o raio do tubo absorvedor R, o comprimento da linha da evoluta 𝜌 e o ângulo θ,

conforme disposto na Figura 5 (Avallone, 2017).

𝑋 = 𝑅 sin(𝜃) − 𝜌 cos(𝜃) 𝑌 = −𝑅 cos(𝜃) − 𝜌 sin(𝜃) (1)

Figura 5 - Curva evoluta geradora do CPC.

Fonte: Avallone (2017).

Em contrapartida o CPC necessita de uma grande área de operação, além de possuir custo de fabricação maior se comparado com os concentradores parabólicos. Outra desvantagem está relacionada a sua eficiência ótica, visto que a radiação é refletida múltiplas vezes antes de ser concentrada, fazendo com que parte da energia seja perdida, diferentemente dos concentradores parabólicos, onde ocorre apenas uma reflexão dos raios solares até a sua absorção.

Concentradores com Sistema de Rastreamento

Os coletores que apresentam sistema de rastreamento são subdivido em quatro tipos: Refletor Linear de Fresnel, Concentrador de Campo Helióstato, Refletor de Prato parabólico e Concentrador Cilíndrico Parabólico.

A principal vantagem desses concentradores é a possibilidade de se atingir elevadas temperaturas, as quais são compatíveis com certos equipamentos térmicos, além de possuir maior eficiência térmica e uma geometria mais simples de ser construída. Em contrapartida utilizam-se pouco da radiação difusa e necessitam de constante manutenção e limpeza, além de necessitar-se de um sistema eletromecânico para realizar o rastreamento solar.

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Refletor linear de Fresnel

Os sistemas de refletor linear de Fresnel (Figura 6) baseiam-se em uma série de espelhos lineares, ou ligeiramente curvados, que concentram a radiação solar em um receptor fixo montado logo acima dos espelhos, possuem um sistema de rastreamento uniaxial, ou seja, realiza apenas o rastreamento solar de Leste-Oeste ou Norte-sul. (Kalogirou, 2009)

Sua principal vantagem está em seu método de construção o qual não necessita de refletores parabólicos e nem de estruturas complexas. Consequentemente apresenta um custo de implementação reduzido quando comparado com os outros tipos de concentradores.

Figura 6 - Concentrador solar do tipo refletor linear de Fresnel.

Fonte: Adaptado de Poullikkas (2013).

Concentrador de campo helióstato

Assim como nos refletores lineares de Fresnel, os concentradores de campo helióstato utilizam-se de espelhos refletores planos ou levemente curvados. Se diferenciando na questão do rastreamento solar, o qual ocorre nos dois eixos, Norte-sul e Leste-Oeste. Além disso, o receptor não está localizado logo acima dos espelhos, mas em uma torre localizada no centro do campo, local de foco de todos os espelhos, como pode ser observado na Figura 7.

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Figura 7 - Campo de concentração helióstato.

Tal sistema é caracterizado por possuir elevada eficiência, devido ao fato de toda energia ser concentrada em um único local, reduzindo-se assim a perda de energia com o seu transporte. Normalmente são empregados em sistemas de grande porte, os quais apresentam capacidade superior a 10 MW, além de possuir sistemas de armazenamento térmico, visando assim uma maior estabilidade na operação do sistema de conversão indireta. (Kalogirou, 2009)

Comercialmente, o sistema foi empregado pela primeira vez em 2007 na usina PS10 Solar

Power Plant, localizada na Espanha. A usina possui uma eficiência de 14,4% na conversão da

energia solar para elétrica. (Osuna et al., 2006)

Refletor de prato parabólico

O concentrador do tipo parabólico concentra toda a radiação solar no ponto focal da parábola, local onde é disposto o receptor. O concentrador dispõe de um sistema de rastreamento nos dois eixos, Norte-sul e Leste-Oeste. Assim como nos outros casos, a energia é transferida para um fluido que circula ao longo do sistema, o qual poderá ter sua energia térmica convertida em elétrica por meio de uma máquina térmica, normalmente utilizando um motor Stirling (Ribeiro, 2008). A desvantagem desse tipo de coletor está ligada ao seu custo de fabricação, devido a estrutura complexa e à sua superfície refletora parabólica. A Figura 8 apresenta um sistema de concentrador solar parabólico.

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Figura 8 - Concentrador solar parabólico.

Concentrador cilíndrico parabólico

Os concentradores são formados por uma superfície parabólica reflexiva, sendo o receptor posicionado ao longo da linha focal da parábola (Fig. 9). O receptor normalmente é constituído por um tubo metálico escuro, afim de aumentar sua absortividade e reduzir sua emissividade, ou seja, aumentar a absorção de energia e reduzir as perdas. O tubo absorvedor pode ainda ser recoberto por um tubo de vidro externo, entre o tubo metálico e o vidro realiza-se vácuo, reduzindo-se ainda mais as perdas de energia. Entretanto, o tubo de vidro passa a ser um obstáculo entre o tubo receptor e a radiação solar concentrada.

Figura 9 - Concentrador solar parabólico.

Fonte: Adaptado de SBP (2009).

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Os coletores parabólicos podem apresentar quatro tipos de sistemas de rastreamento solar: rastreamento nos dois eixos (full tracking); rastreamento no eixo polar no sentido Leste-Oeste, sendo este posicionado paralelo ao eixo Norte-Sul (E-W Polar); rastreamento na direção Leste-Oeste posicionado paralelo ao eixo Norte-Sul (E-W Horizontal); rastreamento na direção Norte-sul com o coletor posicionado paralelamente ao eixo Leste-Oeste (N-S Horizontal). Os quais podem ser observados na Figura 10 (Kalogirou, 2009).

Figura 10 - Sistema de rastreamento solar para PTC.

Os coletores parabólicos normalmente são construídos e posicionados paralelamente ao solo e ao eixo Norte-Sul. Consequentemente apresentam um sistema de rastreamento na direção Leste-Oeste. Porém, durante o inverno com a redução da radiação incidente e com o sol percorrendo uma trajetória mais próxima do horizonte, o coletor apresenta uma redução na conversão de energia. Para compensar essa redução inclina-se o concentrador de acordo com a latitude do local. Dessa forma, o concentrador é posicionado perpendicularmente a altura solar média no inverno ao meio dia, aumentando assim a incidência da radiação em sua área de abertura (BARROSO-KRAUSE; MEDEIROS, 2005).

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CONCENTRADOR CILÍNDRICO PARABÓLICO

A seguir será disposto um breve histórico das pesquisas e dos avanços tecnológicos envolvendo os concentradores solares do tipo cilíndrico parabólico, o qual é o foco do presente trabalho.

Histórico

A utilização de concentradores solares ocorre desde os tempos antigos, onde Heron de Alexandria construiu o primeiro dispositivo de concentração solar utilizando-se de espelhos planos e curvos. O dispositivo em questão foi empregado no desenvolvimento do sistema de bombeamento de água da cidade de Alexandria (Avallone, 2017).

Porém, apenas em 1870 que ocorreu a primeira prática experimental envolvendo concentradores solares cilíndricos. O concentrador foi desenvolvido pelo engenheiro John Ericsson nos Estados Unidos. Esse dispositivo apresentava uma área de abertura de 3,25 m2_{, o}

qual era utilizado para geração de vapor, sendo este gerado diretamente no tubo absorvedor do concentrador. O vapor era utilizado para movimentar um pequeno motor de 373 W. Durante os anos seguintes Ericsson desenvolveu dispositivos similares, porém, utilizando o ar como fluido de trabalho (Fernández-García et al., 2010).

Durante uma exibição em Nova Iorque em 1883, Ericsson apresentou um novo protótipo muito maior que os anteriores. O dispositivo apresentava um comprimento de 3,35 m e uma largura de 4,88 m, onde a radiação solar era concentrada em um tubo com o diâmetro de 15,88 cm. Nesse dispositivo também foi adicionado um sistema de rastreamento solar totalmente manual (Fernández-García et al., 2010).

Ericsson durante sua vida nunca patenteou ou forneceu dados de seus experimentos a ninguém. Desse modo, em 1889 com sua morte seus projetos acabaram sendo descontinuados. Porém, em 1907 Wilhelm Maier e Adolf Remshardt patentearam um projeto parecido com o de Ericsson, a qual fazia referência a um concentrador solar cilíndrico com geração direta de vapor em seu tubo concentrador (Fernández-García et al., 2010).

Entre 1906 e 1911, Frank Shuman, outro engenheiro americano, construiu e testou inúmeros concentradores solares, os quais eram sempre acoplados a motores a vapor, sendo alguns deles empregados para o bombeamento de água para sistemas de irrigação. Com a

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experiência adquirida na área, Shuman e Charles Vernon Boys desenvolveram e instalaram um grande sistema de bombeamento para irrigação. Durante o desenvolvimento da planta foi sugerido por Vernon a construção de um tubo concentrador envolto por um tubo externo de vidro, porém, sem utilizar-se do vácuo como isolante térmico. A planta desenvolvida apresentava cinco fileiras de concentradores, os quais possuíam 62,17 m de comprimento, 4,1 m de largura e o tubo concentrador apresentava um diâmetro de 8,9 cm (Figura 11). A planta apresentava uma área de abertura de 1250 m2_{, a qual produzia vapor saturado a uma pressão de}

100 kPa com uma eficiência máxima de 40,7% (Fernández-García et al., 2010).

Figura 11 - Concentradores solares instalados em Meadi, Cairo.

Fonte: Günther (2011).

Shumam também desenvolveu um sistema de rastreamento solar totalmente automatizado para tal planta. O sistema utilizava um termostato posicionado abaixo do tubo absorvedor, em sua sombra, permanecendo corretamente focado. Assim, com a incidência da radiação solar sob o termostato o sistema atua trazendo de volta o concentrador ao seu foco correto. Devido ao início da primeira guerra mundial Shumam interrompeu suas pesquisas e suas plantas. Porém, em 1917 patenteou suas ideias (Aidroos, 2014).

Em 1936 C.G. Abbot construiu um concentrador solar o qual atingia sua pressão de trabalho em apenas cinco minutos, produzindo vapor saturado a 374ºC. O sistema era acoplado a um motor de 370W. A eficiência do sistema era de 15,5%. Um dos diferencias de seu projeto foi a utilização de um tubo concentrador evacuado (Fernández-García et al., 2010).

Apesar de diversas pesquisas realizadas na área, a utilização dos concentradores solares sempre foi negligenciada até a década de 60. Com o surgimento da crise do petróleo a fontes

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de energia renováveis tomaram a atenção de todos, devido a necessidade de substituir a utilização dos combustíveis fósseis. Desse modo, uma série de pesquisas na área começaram a ser patrocinadas para o desenvolvimento de concentradores solares para fins comerciais.

Um dos principais patrocinadores da época foi o governo americano, por meio da Sandia National Laboratories e da Honeywell International Inc, as quais foram responsáveis pelo desenvolvimento de dois concentradores. Ambos apresentavam características similares e foram desenvolvidos para operarem em temperaturas inferiores a 250ºC. Posteriormente, mais uma companhia foi adicionada ao programa, Westinghouse (Fernández-García et al., 2010).

Em julho de 1975, os três concentradores solares foram construídos e estavam sendo testados nos laboratórios da Sandia. Os concentradores apresentavam um comprimento de 3,66 m e uma largura de 2,13 m. O tubo absorvedor era composto por um tubo evacuado de ferro-carbono envolto por uma camada de cromo preto, com um anel evacuado de 1 cm. As calhas concentradoras foram fabricadas utilizando-se de compensado de madeira ou de fibra de vidro. A superfície refletora foi recoberta por uma camada de alumínio anodizado seguido de uma camada de vidro. Durante a década de 80 tais tecnologias já estavam no mercado por meio de algumas empresas.

Durante a década de 90 os principais concentradores disponíveis no mercado apresentavam um comprimento que variavam entre 39,5 e 6 m e com uma largura entre 3,05 e 1,3 m. A área de abertura compreendia entre 108,52 e 7,8 m2_{, com um fator de concentração}

entre 25,48 e 16,42. A eficiência ótica máxima declarada de tais dispositivos era entre 82,7 e 70,8% (Fernández-García et al., 2010).

Com a introdução comercial de tais dispositivos, as pesquisas na área se voltaram a analisar três principais pontos: a eficiência térmica e as perdas de energia que ocorrem durante a operação, a distribuição do fluxo de radiação no tubo absorvedor e o comportamento de tais dispositivos durante a geração direta de vapor em seus tubos concentradores. A geração direta de vapor é o principal tema abordado atualmente.

Thomas e Thomas (1993) realizaram um estudo avaliando a eficiência dos concentradores solares. Os principais parâmetros analisados foram: a temperatura de operação do tubo absorvedor, temperatura ambiente e velocidade do vento. A eficiência térmica obtida levou em consideração, além das perdas térmicas, a eficiência ótica dos dispositivos. Observou-se uma relação direta entre a temperatura do tubo absorvedor e as perdas térmicas. Considerando-se apenas a influência do vento, as perdas térmicas se elevaram em condições específicas de temperatura ambiente.

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Thomas e Guven (1994) estudaram a transferência de calor envolta dos tubos absorvedores para diversas distribuições de fluxos de calor, devido aos erros óticos e geométricos que ocorrem durante a construção e operação dos dispositivos. Observou-se que a distância focal da parábola é um dos principais fatores que contribuem para a eficiência ótica do dispositivo, visto que mesmo com o aumento do ângulo de reflexão dos raios solares grande parte da radiação permanece concentrada no tubo absorvedor.

Em 1996 Kalogirou realizou diversos experimentos avaliando a influência dos sistemas de rastreamento solar na eficiência dos concentradores, eficiência ótica e térmica. Como resultado foram apresentados quatro modelos, para cada tipo de sistema de rastreamento solar, com o intuito de se obter o ângulo de incidência da radiação sob a calha concentradora. Dessa forma, permitiu assim prever a eficiência ótica de tais dispositivos (Kalogirou, 1996).

Rafael almanza, Lentz e Jimenez realizaram em 1997 um estudo analisando o comportamento dos tubos absorvedores durante a geração direta de vapor, avaliando o comportamento dos tubos de cobre e aço. Devido a menor resistência mecânica dos tubos de cobre a pressão de operação do sistema apresentou limitações, enquanto para os tubos de aço as pressões suportadas foram superiores. Porém, devido a condutividade térmica do aço ser menor prejudica a troca de calor (Almanza; Lentz; Jimenez, 1997).

Afim de contornar tal situação, Vicente Flores e Rafael Almanza, em 2004 propuseram a utilização de um tubo absorvedor composto. O tubo absorvedor proposto era composto internamente por um tubo de cobre com 2/3 da espessura total da parede e por um tubo externo de aço com a espessura de 1/3 da espessura total do tubo. Desse modo foi possível combinar as melhores propriedades de ambos os materiais (Flores; Almanza, 2004).

Em 2005 Riffelmann, Neumann e Ulmer avaliaram experimentalmente as conclusões obtidas por Thomas e Guven (1994) e por Kalogirou (1996). Para avaliar o fluxo de energia concentrada na região focal da parábola foi utilizado um fluxímetro disposto no eixo focal (PARASCAN – Parabolic through flux scanner) e uma câmera por meio da técnica CTM (Camera target method). Desse modo, foi possível obter o fator de interceptação do dispositivo. Como resultado obteve-se um fator de interceptação entre 93 e 97,5 % para o sistema de rastreamento Norte – Sul. Os erros de interceptação também puderam ser rastreados até a sua origem na superfície refletora (Riffelmann; Neumann; Ulmer, 2005).

Bakos, em 2006, com a intenção de avaliar a influência do sistema de rastreamento solar na eficiência térmica dos dispositivos, comparou a eficiência térmica entre dois concentradores solares. O primeiro concentrador apresentava um sistema de rastreamento solar uniaxial na

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direção Leste – Oeste, com sua inclinação fixa na latitude do local onde o experimento foi realizado. Já o segundo concentrador apresentava um sistema de rastreamento solar nos dois eixos Norte – Sul e Leste – Oeste. Os resultados obtidos mostraram uma diferença de 46,46% entre o calor absorvido no dia pelo concentrador com sistema de rastreamento nos dois eixos, quando comparado com o concentrador equipado com o sistema de rastreamento solar uniaxial. A diferença obtida se deve pela maior quantidade de energia absorvida nas primeiras e últimas horas do dia, visto que entre às 11:30 e 15:30 os resultados obtidos foram similares para os dois dispositivos (Bakos, 2006).

Com a intenção de fabricar um concentrador de baixo custo, porém com uma alta precisão, Arasu e Sornakumar desenvolveram em 2007 um concentrador que apresentava sua estrutura fabricada em fibra de vidro. O concentrador desenvolvido foi avaliado estruturalmente e termicamente. A análise estrutural resultou em uma deflexão de apenas 0,95 mm quando submetido a uma velocidade do ar de 34 m/s. O dispositivo também obteve uma eficiência ótica de 69,4% e um fator de interceptação de 87,97% (Arasu; Sornakumar, 2007).

Pesquisadores chineses desenvolveram em 2010 um concentrador solar para investigar seu comportamento, quando empregado para a geração de energia térmica. O concentrador utilizava como fluido de trabalho óleo sintético. Durante a análise foi obtido eficiência térmica entre 40% e 60%. No concentrador foi utilizado um tubo evacuado, porém, mesmo assim apresentava perdas de energia de 220 W/m, correspondendo a 10% da energia incidente em sua superfície (QiBin et al., 2010).

A implementação das plantas de conversão de energia indireta ainda apresenta um alto custo, devido à complexidade construtiva dos concentradores cilíndricos parabólicos. Devido a esse fato em 2011 foi realizado um estudo comparando a utilização dos concentradores cilíndricos parabólicos com os concentradores lineares de Fresnel. Estes concentradores lineares apresentam um custo de implementação muito menor, devido ao fato de apresentarem uma geometria mais simples. Os resultados mostraram que o concentrador cilíndrico parabólico apresenta uma eficiência de 55,8%, enquanto que o de Fresnel uma eficiência de 45,75%. Devido a essa diferença, a utilização dos concentradores lineares de Fresnel nas plantas de conversão indireta de energia não se mostrou viável, apesar de apresentar um menor custo de implementação (Gharbi et al., 2011).

Em 2013 pesquisadores avaliaram a implementação de um sistema de conversão indireta de energia. O sistema utilizava o ar como fluido de trabalho que era aquecido, apresentando

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temperatura de entrada de 250ºC e saída de 650ºC. A eficiência do sistema proposto foi de 35%, na conversão da energia térmica para elétrica (Good et al., 2013).

Em 2014 estudos avaliando a influência da cobertura de vidro sob o tubo absorvedor na distribuição do fluxo de energia sobre sua superfície foram conduzidos. O estudo mostrou que devido a difração dos raios solares a distribuição do fluxo de energia no tubo absorvedor é alterada, de modo a gerar elevados gradientes. Desse modo, foi proposto utilizar uma cobertura de vidro em formato elíptico. Essa geometria promoveu uma redução de 32,3% na variação do fluxo da radiação concentrada (Fuqiang et al., 2014).

Com a intenção de otimizar a troca de calor dentro dos tubos absorvedores, realizou-se em 2015 um estudo envolvendo a utilização de um nanofluido como fluido de trabalho do sistema. O fluido utilizado era composto por óleo sintético com partículas de Al2O3. A

eficiência da troca de calor foi melhorada entre 35 e 76%, dependendo da porcentagem de nanopartículas utilizadas no fluido (Mwesigye et al., 2015).

Em 2017 com a mesma intenção de otimizar a troca de calor, foi proposto a utilização de um tubo absorvedor internamente aletado. As aletas têm a função de promover a turbulência no escoamento, além de aumentar a superfície de troca de calor. As geometrias analisadas foram capazes de aumentar em até 9% o número de Nusselt e até 12% a eficiência global da troca de calor (Xiangtao et al., 2017).

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MATERIAIS E MÉTODOS

Para o desenvolvimento do presente trabalho foi projetado, construído e instrumentado um coletor solar parabólico. Neste capítulo serão abordas as etapas e os materiais utilizados durante a construção do concentrador, juntamente com sua instrumentação. Por fim, será apresentada a metodologia utilizada para execução dos experimentos e a análise de seus resultados.

MATERIAIS UTILIZADOS

Os materiais utilizados durante a construção do concentrador solar e os referentes a sua instrumentação, estão dispostos na Tabela 1.

Tabela 1 - Lista de materiais

Materiais Quantidade Materiais Quantidade Cantoneira de aço (1 1/4") 25 m Vergalhões de aço 10 m Tubo de aço (36 x 25 mm) 1 m Cabo de aço 5 m Matriz de aço cortada a plasma 4 Espelhos 2,4 m2

Chapa de aço inox (2 x 1,2 m) 1 Silicone para espelhos 4 Mancal bipartido 2 Barra roscada 1” 2 Rolamento autocompensador 2 Placa Arduino UNO 1

Tubo de cobre 2 m LDR 2

Tubo de CPVC 2 m Acelerômetro MPU-6050 1 Joelho 90º CPVC 2 Sensor de chuva 1 Adesivo plástico CPVC 1 Motor de passo 15 kgf.cm 1 Mangueira 4 m Driver de acionamento 1 Bomba centrífuga 60W 1 Fonte 3A 1 Caixa d'água 500L 1 Piranômetro 1

Parafuso M8 8 Termopar do tipo T 20 m Parafuso M10 12 Arruela M8 8 Arruela M10 12 Arruela de pressão M8 8 Arruela de pressão M10 12 Parabolts M10 20 Blocos de concreto 7

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PROJETO DO CONCENTRADOR SOLAR

Para o início do desenvolvimento do projeto, verificou-se na literatura os métodos comumente utilizados para a construção dos concentradores solares parabólicos. Logo definiu-se que o concentrador definiu-seria badefiniu-seado em um sistema de rastreamento uniaxial, com definiu-seu tubo concentrador fixo na linha de foco da parábola. O concentrador desejado também apresentaria a possibilidade de se inclinar, afim de maximizar a energia coletada durante a estação de verão ou inverno.

Em seguida, realizou-se o projeto utilizando-se o programa computacional Solidworks®

CAD 3D. O projeto foi desenvolvido de modo a facilitar a sua construção, utilizando-se somente de materiais com dimensões padrões. A Figura 12 apresenta o projeto final do concentrador solar.

Figura 12 - Projeto do concentrador solar utilizando-se o Solidworks® CAD 3D.

Fonte: Autoria própria.

Durante o projeto, alguns de seus pontos críticos foram estudados e dimensionados, assim como o seu sistema eletromecânico responsável pelo rastreamento solar, o qual não está disposto na Figura 12.

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Geometria do Concentrador

O concentrador solar parabólico apresenta uma seção transversal na forma de uma parábola. O dispositivo apresenta uma linha focal, a qual é formada pela interligação dos pontos focais, de suas seções transversais (Fig. 13). Para o perfeito funcionamento do dispositivo, a radiação solar deve incidir de forma normal à linha focal, de forma que seja refletida ao tubo absorvedor.

Figura 13 – Linha focal do concentrador solar cilíndrico parabólico.

A Figura 14 apresenta a seção transversal do concentrador solar, onde estão dispostas as principais variáveis que compõe sua geometria. A parábola que forma a superfície refletora do concentrador, pode ser modelada utilizando-se da Equação 2. Sendo f a distância focal da parábola, x a distância horizontal em relação ao eixo da parábola e y refere-se a distância vertical em relação a base da parábola.

𝑦 = 4𝑓𝑥 (2)

O dimensionamento do tubo absorvedor deve ser realizado de modo que toda a radiação solar refletida seja absorvida, mesmo durante os períodos em que a radiação solar incidente apresente uma inclinação em relação a linha focal. A inclinação entre os raios incidentes e a linha focal é denominado de meio ângulo aceitável (θm), o qual depende da precisão do sistema

de rastreamento solar utilizado. Desse modo, para se estimar o diâmetro do tubo concentrador pode-se utilizar a Equação 3, onde rr refere-se ao raio máximo da parábola.

Parábola

Linha Focal

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𝐷 = 2𝑟 sin 𝜃 (3)

Figura 14 - Seção transversal do concentrador solar cilíndrico parabólico.

O raio da parábola (r) é descrito pela Equação 4. Sendo raio máximo da parábola calculado em seu extremo, local onde o ângulo φ é máximo (rim angle).

𝑟 = 2𝑓

1 + cos 𝜑 (4)

A abertura da parábola pode ser calculada por meio do rim angle e da distância focal da parábola, conforme descrito na Equação 5.

𝑊 = 4𝑓 tan 𝜑

2 (5)

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A área de abertura do concentrador pode ser calculada por meio da Equação 6, sendo L o comprimento do concentrador solar.

𝐴 = 𝑊 𝐿 (6)

Um dos parâmetros mais importantes do concentrador solar é o fator de concentração, C, o qual representa a razão entre a área de abertura do concentrador e a área superficial do tubo absorvedor, ou seja, o número de vezes que a radiação solar incidente é concentrada. No caso de um tubo absorvedor circular o fator pode ser calculado utilizando-se a Equação 7.

𝐶 = 𝑊

𝜋𝐷 (7)

O comprimento da parábola (S) trata-se de uma importante variável para o projeto, visto que fornecerá a quantidade de material necessário para a construção do dispositivo. Desse modo, o comprimento da parábola pode ser calculado utilizando-se a Equação 8, onde 𝐻 representa a abertura da parábola em seu ponto focal.

𝑆 =𝐻 2 sec 𝜑 2 tan 𝜑 2 + ln sec 𝜑 2 + tan 𝜑 2 (8)

Projeto da Calha Concentradora

Para o projeto da calha concentradora utilizou-se como base as dimensões da chapa de aço de inox a ser utilizada (1,2 x 2 m). O projeto resultou em uma parábola com comprimento de arco de 1,2 m e largura de 1,1 m (Wa), sendo seu foco localizado a 0,35 m de sua base (f) e o ângulo máximo de abertura é de 76,18º (𝜑 ).

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Figura 15 - Geometria da calha concentradora.

O fator de concentração da parábola, ou seja, a razão entre a área de abertura e a área superficial do tubo concentrador, obtido no presente projeto foi de 12,5, considerando o tubo concentrador com diâmetro externo de 28 mm.

CONSTRUÇÃO DO CONCENTRADOR SOLAR

Para a construção do concentrador, foram utilizados os dados de projeto, sendo sua construção iniciada pela calha concentradora. Uma matriz foi cortada de acordo com os dados de projeto, utilizando corte à plasma.

Posteriormente a chapa de aço inox foi moldada sob a matriz e parafusada, fornecendo-se assim a forma necessária a calha concentradora, como pode fornecendo-ser obfornecendo-servado na Figura 16. Porém, foi necessário a realização de reforços estruturais na calha, os quais não estavam previstos no projeto inicial, tais reforços foram necessários para garantir a calha uma melhor rigidez torcional.

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Figura 16 - Montagem da calha concentradora.

Em seguida, iniciou-se a montagem de sua estrutura principal. Para isso, foram utilizadas cantoneiras cortadas nos comprimentos de 2920, 2500, 950 e 750 mm, as quais foram soldadas utilizando-se eletrodo revestido. Os suportes dos mancais foram construídos utilizando cantoneiras com 355 mm de comprimento com suas extremidades fechadas para que pudessem ser parafusadas na estrutura principal, permitindo-se assim a inclinação da calha concentradora. Os tubos de aço responsáveis pela sustentação da calha concentradora, foram soldados de maneira concêntrica ao foco da parábola, permitindo assim que o tubo concentrador fique posicionado estaticamente no foco da parábola. O resultado obtido durante essa etapa pode ser observado na Figura 17.

Figura 17 - Montagem da base principal do concentrador solar.

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Em seguida iniciou-se a montagem da estrutura secundária, a qual seria responsável em manter a inclinação do concentrador. Nesta etapa também foram soldados os reforços estruturais previstos no projeto. Ao final dessa etapa pode-se realizar a montagem do concentrador, conforme pode ser observado na Figura 18.

Figura 18 - Finalização da base do concentrador solar.

Com a estrutura finalizada pode-se iniciar-se o processo de pintura e a colagem dos espelhos na calha concentradora. As dimensões dos espelhos utilizados foram de 50 mm de largura e 1 m de comprimento (Fig. 19), devido às limitações impostas pelo seu transporte e a necessidade de se ajustarem ao perfil curvado da calha.

Figura 19 - Espelhos utilizados na montagem da calha concentradora.

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Durante a colagem dos espelhos, o foco de cada um foi ajustado manualmente utilizando-se de um lautilizando-ser (Fig. 20), afim de utilizando-se garantir que ao final do processo todo espelhos estariam refletindo a radiação solar no tubo concentrador.

Figura 20 - Colagem e ajuste dos espelhos na parábola.

Com o concentrador finalizado iniciou-se a construção de sua base, a qual foi construída utilizando-se blocos de concreto, os quais foram parcialmente enterrados e fixados ao solo por meio de vergalhões de aço. A Figura 21 ilustra o concentrador fixado nos blocos de concreto por meio de parabolts.

Figura 21 - Base do concentrador solar.

Fonte: Autoria própria. Laser

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O sistema mecânico responsável pelo rastreamento solar foi construído utilizando uma barra roscada, a qual foi fixada a um suporte móvel localizado na extremidade da calha concentradora (Figura 22a). Nesta etapa também foi desenvolvido o suporte do motor de passo (Figura 22b), responsável pela rotação do sistema.

Figura 22 - Sistema mecânico responsável pelo rastreamento solar: (a) suporte móvel e (b) motor de passo.

(a) (b)

A Figura 23 apresenta o resultado final do processo de construção do concentrador solar parabólico.

Figura 23 - Concentrador solar.

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SISTEMA DE CONTROLE ELETRÔNICO

O sistema de controle eletrônico é responsável pelo sistema de rastreamento solar, sendo seu controlador composto por uma placa Arduino e por uma rede de sensores, os quais visam monitorar as condições ambientais e de posicionamento do coletor solar.

O sensoriamento base que compõe o sistema de rastreamento é composto por dois Resistores Dependentes de Luz (LDR), os quais foram posicionados entre uma placa vertical, conforme observado na Figura 24.

Através da variação da posição do sol um dos LDR fica sombreado, desse modo através da comparação de suas leituras o sistema de controle pode tomar uma decisão, definido assim a direção do acionamento do motor de passo (Figura 22b) e o tempo o qual o mesmo permanecerá funcionando.

Figura 24 - Sensores responsáveis pelo rastreamento solar: (a) Conjunto completo; (b) LDR.

(a) (b)

O sistema ainda conta com mais dois sensores, um acelerômetro e um sensor de chuva. O acelerômetro no sistema tem a função de monitorar inclinação lateral da calha concentradora, de modo a permitir ou não o acionamento do motor, devido às limitações impostas pelo projeto. Já o sensor de chuva fica responsável também pela liberação do sistema de acionamento, sendo utilizado também em conjunto com o acelerômetro, para que em casos onde ocorram precipitações durante os experimentos o sistema seja desativado e retornado a sua posição equilíbrio, de modo a garantir uma maior segurança ao equipamento em caso de ventos fortes.

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O motor de passo responsável pelo acionamento do sistema é controlado com a ajuda de um driver de acionamento específico, sendo este alimentado por uma fonte externa de energia. O circuito elétrico do sistema pode ser observado na Figura 25 e a programação utilizada na placa Arduino está disposta no Apêndice A.

Figura 25 - Circuito elétrico do sistema de rastreamento solar.

SISTEMA HIDRÁULICO

O fluido utilizado durante o experimento para avaliar o desempenho do concentrador solar foi a água. Para isso foi empregado um sistema de armazenamento e de bombeamento.

O armazenamento da água foi realizado utilizando-se uma caixa d’água com capacidade de 500 L, a qual foi isolada termicamente utilizando-se lã de rocha e uma manta aluminizada (Figura 26).

Para sistema de bombeamento foi utilizada uma bomba centrífuga com potência de 60 W, em conjunto com mangueira e tubos de CPVC. A mangueira foi utilizada na saída da bomba até a entrada do tubo concentrador. Já o tubo de CPVC foi utilizado na saída do tubo concentrador, devido a temperatura elevada do fluido, até a caixa d’água.

Arduino UNO Acelerômetro Sensor de chuva M oto r d e p as so Drive LDR