SISTEMA SOLAR DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA
TÉRMICA COM MÓDULO DE ADSORÇÃO
Marco Fernandes
1*, Gonçalo J. V. N. Brites
1, José J. Costa
1, Adélio R. Gaspar
1,
Vítor A. F. Costa
21: ADAI, LAETA, Dep. Eng. Mecânica, Universidade de Coimbra, 3030-788 Coimbra, Portugal
e-mail: marco.fernandes@adai.pt
2: TEMA, Centro de Tecnologia Mecânica e Automação, Dep. Eng. Mecânica, Universidade de Aveiro, 3810-193 Aveiro, Portugal
Resumo: Apresenta-se um sistema de armazenamento de energia térmica que utiliza o
efeito de adsorção para promover a eficiência de sistemas solares térmicos. A
simplicidade dos sistemas tradicionais é mantida, sendo o seu desempenho melhorado
através da incorporação de um módulo de adsorção. Este opera com o par
sílica-gel/água e tem a capacidade de armazenar o excesso de energia térmica da água
quente do reservatório de um sistema solar térmico convencional, devolvendo-a mais
tarde como calor de adsorção. Este sistema permite aumentar a capacidade de
armazenamento de energia e reduzir o funcionamento do sistema de apoio,
traduzindo-se numa redução do consumo de energia. Os resultados da simulação para um sistema
térmico solar doméstico, com um perfil de consumo diário de 160 L de água, apontam
para uma redução anual da energia de apoio de 16.8% através da utilização do módulo
de adsorção.
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1. INTRODUÇÃO
Os sistemas tradicionais de armazenamento de energia térmica para preparação de água quente sanitária (AQS), embora continuem a ser o método mais comum de acumulação de energia térmica requerem reservatórios com dimensões consideráveis, já que armazenam energia apenas na forma de calor sensível. No caso dos sistemas solares térmicos, períodos longos de captação de energia solar e de baixo consumo podem traduzir-se em elevadas temperaturas nos reservatórios de armazenamento e consequente redução da eficiência dos sistemas solares. Além disso, este tipo de sistemas necessita, na grande maioria dos casos, de sistemas de apoio (normalmente utilizando fontes de energia não renováveis) que satisfaçam as necessidades energéticas quando a energia solar disponível é insuficiente.
Existem outras tecnologias que permitem obter maiores densidades de armazenamento de energia térmica, utilizando materiais de mudança de fase ou processos de sorção. Em comparação com os sistemas tradicionais, os sistemas de armazenamento por adsorção promovem o armazenamento temporário de energia térmica de uma forma mais fácil, compacta e eficiente, mesmo durante longos períodos de armazenamento, com baixas perdas de calor e elevadas densidades de armazenamento (superiores ao armazenamento de calor sensível ou latente) [1-3].
O sistema apresentado neste trabalho combina as características do armazenamento de energia por adsorção com um sistema de armazenamento de água quente tradicional (armazenamento de calor sensível num reservatório de água), aumentando o desempenho deste último. Um adsorsor (operando com o par sílica-gel/água) é colocado no interior do reservatório de água quente, promovendo a troca de calor com a água, enquanto o condensador e o evaporador do módulo de adsorção funcionam como dissipador de calor e fonte fria, respectivamente, para promover as mudanças de fase do fluido de trabalho (água) do módulo de adsorção. A energia libertada no condensador é recuperada para pré-aquecer a água fria da rede que entra no reservatório. O funcionamento do sistema, nomeadamente os processos de adsorção e dessorção, é controlado por um conjunto de válvulas. Este sistema resulta da combinação da tecnologia de frio por adsorção [4-6] com a tecnologia de armazenamento por sorção [1-3,7-9].
Em resumo, os objectivos deste artigo são apresentar e analisar este sistema inovador de armazenamento de energia térmica, passando pela descrição dos seus componentes e do modo de funcionamento, e apresentando alguns resultados da simulação anual do sistema.
2. PRINCÍPIOS BÁSICOS DO ARMAZENAMENTO DE ENERGIA POR ADSORÇÃO Os principais componentes de um sistema de armazenamento de energia por adsorção (Figura 1) são o adsorsor, o condensador e o evaporador, formando um circuito fechado em cujo interior circula o fluido de trabalho [3,9]. O adsorsor contém o par adsorvente-adsorvato, que é repetidamente aquecido e arrefecido. Durante a fase de dessorção (carga), uma fonte de calor aumenta a temperatura do adsorsor e promove a dissociação do par de trabalho, libertando o adsorvato e secando o adsorvente. O condensador funciona como um dissipador de calor, onde o adsorvato que deixa o adsorvente sob a forma de vapor é condensado, sendo depois armazenado no evaporador sob a forma líquida. A separação física do par de trabalho permite um armazenamento de energia térmica sem perdas, dado que a energia não é armazenada sob a forma de calor latente ou sensível, mas como um potencial de energia térmica. Mais tarde, quando é necessário libertar para a água de consumo a energia armazenada, é novamente permitido o contacto entre as substâncias do par de trabalho (usando, por exemplo, um sistema de válvulas), o que promove a fase de adsorção e a respectiva libertação de calor. No evaporador, o adsorvato líquido vaporiza ao receber calor a baixa temperatura, passa pelo tubo até ao adsorsor, onde é adsorvido pelo adsorvente, promovendo a libertação do calor de adsorção, que é usado para fins de aquecimento [1,3,9]. Em termos genéricos, para o armazenamento de energia térmica utilizando a tecnologia de adsorção podem ser usadas fontes de calor de origem renovável (solar térmica, geotérmica ou da biomassa), bem como excessos de energia térmica ou calor residual resultante de diversos processos (e.g., cogeração) [1,9].
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Figura 1 – Princípio de funcionamento de um sistema de armazenamento de energia por adsorção [9].
3. CONSTITUIÇÃO E FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA POR ADSORÇÃO
O sistema solar de armazenamento de energia térmica por adsorção, esquematicamente representado na Figura 2, consiste num depósito de AQS convencional com o adsorsor imerso no seu interior. Este está ligado ao condensador, que se encontra no interior do reservatório secundário de pré-aquecimento da água da rede, situado sob o reservatório de AQS. Por sua vez, o condensador está ligado ao evaporador, que se encontra no exterior do reservatório, em contacto com o ar ambiente. Uma válvula V1 separa o adsorsor do condensador, enquanto uma segunda válvula, V2, separa o condensador do evaporador. Todo o circuito do módulo de adsorção deve encontrar-se em condições de vácuo relativo, devido ao par de trabalho utilizado. O par de trabalho sílica-gel/água é adequado para as temperaturas atingidas num reservatório de AQS e não apresenta riscos de contaminação da água de consumo nem impactes ambientais.
Figura 2 – Sistema solar de armazenamento de energia térmica por adsorção.
O adsorsor consiste num cilindro metálico com a sílica-gel no seu interior. Esta forma um leito anelar, permitindo que o vapor de água escoe na secção central. Alhetas longitudinais interiores aumentam a transferência de calor entre a parede cilíndrica e o adsorvente. O adsorsor encontra-se horizontalmente imerso no topo do reencontra-servatório, de forma a tirar vantagem do efeito de estratificação térmica. Uma descrição mais detalhada do adsorsor e do seu funcionamento podem ser consultados em Fernandes et al., 2016 [9]. O condensador consiste num tubo metálico helicoidal, no interior do qual o vapor de água dessorvido condensa durante a fase de carga do sistema (dessorção). Por seu turno, o evaporador consiste num conjunto de tubos verticais com alhetas longitudinais rectangulares, que trocam calor com o ar ambiente. Este
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permutador de calor recolhe a água proveniente do condensador, promovendo mais tarde a sua evaporação a baixa pressão, durante a fase de descarga do sistema (adsorção).
O principal objectivo do sistema é o armazenamento do excesso de energia térmica captada pelos colectores solares, através da regeneração do material adsorvente (neste caso, a sílica-gel) contido no adsorsor, que se encontra imerso no reservatório de AQS, permitindo assim utilizar essa energia mais tarde – adsorvendo o fluido de trabalho (água) anteriormente dessorvido e libertando o calor de adsorção – quando a temperatura da água no interior do reservatório descer abaixo de um determinado nível. O aproveitamento deste excesso de energia térmica impede que a temperatura no reservatório se eleve em demasia, em benefício da eficiência de captação de energia do sistema solar, e minimiza as perdas térmicas do reservatório para o meio ambiente. O sistema de adsorção também tem por objectivo eliminar ou reduzir significativamente o funcionamento do sistema de apoio para aquecimento. Além disso, durante a fase de dessorção, o calor de condensação é recuperado para o pré-aquecimento da água da rede que entra no reservatório e, durante a fase de adsorção, a evaporação capta energia adicional do ar ambiente.
As três fases de funcionamento do sistema são as seguintes:
a) Carga do sistema
A carga do sistema ocorre nos períodos de captação de energia solar e quando a temperatura no reservatório ultrapassa um valor pré-definido, para impedir que a energia útil seja utilizada para promover o efeito de dessorção quando a água no reservatório tem uma temperatura inferior à considerada adequada para consumo. Quando a carga se inicia, a válvula V1 é aberta e, devido à energia proveniente da água quente no reservatório, ocorre a libertação do vapor de água adsorvido no leito de sílica-gel (dessorção). O vapor desadsorvido é arrefecido e liquefeito no condensador, sendo o calor de condensação usado para pré-aquecer a água fria no reservatório secundário, que irá entrar no reservatório de AQS nos períodos de consumo. Isto permite reduzir a energia solar (e auxiliar) necessária para o aquecimento da água e armazenar mais energia térmica no sistema de adsorção. Durante esta fase, a válvula V2 permanece fechada, impedindo a passagem do vapor de água para o evaporador, para que este seja condensado unicamente no condensador. No entanto, permite a passagem dos condensados para o evaporador, onde são armazenados até que ocorra a fase de descarga. No final do processo de carga, a válvula V1 é fechada.
b) Armazenamento de energia térmica
Uma vez carregado o adsorsor (sílica-gel contendo pouca ou quase nenhuma água adsorvida), se a ligação entre o adsorsor e o evaporador se mantiver fechada a sílica-gel não pode adsorver vapor, pelo que o processo de adsorção não ocorre e o sistema de adsorção permanece carregado sob a forma de um potencial de adsorção. Assim, desde que a sílica-gel e a água se mantenham separadas, é possível o armazenamento de energia com perdas térmicas reduzidas, mesmo por longos períodos. Durante esta fase, apenas é possível acumular calor sensível na água do reservatório (o sistema de acumulação por adsorção encontra-se inactivo).
c) Descarga do sistema
Com o adsorsor carregado, se a ligação entre o evaporador e o adsorsor for aberta (abrindo ambas as válvulas, o que ocorre abaixo de uma determinada temperatura da água no reservatório), inicia-se o processo de adsorção de vapor, provocando um decréscimo da pressão no sistema de adsorção, que, por seu turno, induz a vaporização da água no evaporador, que vai sendo adsorvida. Nesta fase, desde que a temperatura da água no reservatório seja inferior à do adsorsor, o calor de adsorção é libertado para a água, aumentando assim a sua temperatura. Esta fase termina quando se verifica novamente o aquecimento do adsorsor, sendo então fechada a válvula V2.
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4. RESULTADOS
O sistema foi modelado em TRNSYS e MATLAB, tirando partido da capacidade de integração entre ambos os softwares. Os elementos do sistema tradicional (colectores solares, reservatório, bomba de circulação e respectivo controlador, aquecedor de apoio e ligações hidráulicas) foram modelados em TRNSYS, utilizando os seus componentes pré-definidos. Por sua vez, os elementos do módulo de adsorção (adsorsor, reservatório secundário, condensador e evaporador) foram modelados em MATLAB, tendo por base as equações de balanço de massa e de energia de cada um desses elementos.
Foi realizado um estudo comparativo de simulação anual entre dois sistemas solares térmicos com configuração de base idêntica (Tabela 1): um, com um reservatório de armazenamento convencional e o outro, dotado do módulo de armazenamento de energia por adsorção (Tabela 2). Os dados climáticos considerados referem-se à cidade de Coimbra, Portugal.
Tabela 1 – Características comuns dos dois sistemas de AQS simulados.
Parâmetro Valor
Volume de água no reservatório AQS 200 L
Área de colectores 3×1.84 m2
Caudal da bomba do circuito solar 279.3 kg/h
Setpoint de consumo 45 °C
Consumo diário (fixo) 160 L (4 pessoas)
Tabela 2 – Parâmetros do módulo de adsorção.
Parâmetro Valor
Massa de sílica-gel 16 kg
Massa de metal do adsorsor 16.4 kg Área de superfície do adsorsor 0.94 m2
Entalpia de adsorção 2710 kJ/kg
Volume do reservatório de pré-aquecimento 100 L Área de superfície do condensador 0.27 m2 Área total da superfície do evaporador alhetado 22.9 m2
Os resultados apresentados na Figura 3 reflectem a evolução do teor de água adsorvida pela sílica-gel no adsorsor ( X [kg/kg sílica-gel seca]), da temperatura da água no topo do reservatório de AQS (Ttop norm, – sistema tradicional,Ttop ads, – sistema com adsorsor [°C]) e do valor acumulado da poupança de energia no sistema de apoio (aquecedor eléctrico a jusante do reservatório de AQS) do sistema com adsorsor em relação a um sistema idêntico sem adsorsor (tradicional) (Qsaving[MJ]), para dois dos meses com maiores necessidades de energia de apoio. Valores elevados de Ttop promovem a diminuição de X , o que permite que, durante os períodos de consumo, ocorra a adsorção da água anteriormente dessorvida, com a consequente libertação do calor de adsorção para a água do reservatório, levando a uma menor diminuição de
top
T no sistema com o adsorsor em relação a um sistema tradicional. Isto reflecte-se num aumento da poupança de energia no sistema de apoio, tal como se verifica na Figura 3, que ilustra o comportamento do módulo de adsorção. No sistema com o módulo de adsorção consegue-se uma poupança anual de 16.8% no consumo de energia no sistema de apoio.
Na Figura 4 apresenta-se a evolução da temperatura da água da rede e da água no reservatório de pré-aquecimento do sistema com adsorsor. É possível verificar que a temperatura da água que entra no reservatório principal é mais elevada no caso do sistema com adsorsor, devido ao pré-aquecimento da água da rede (através do aproveitamento do calor de condensação), o que melhora o desempenho do sistema: aumento médio de 1.9 °C em Janeiro e de 1.6 °C em Dezembro.
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Verifica-se ainda um aumento de 4.2% na energia solar térmica transferida pelos colectores para o reservatório com a utilização do sistema com adsorsor.
Figura 3 – Evolução do teor de água adsorvida, da temperatura no topo do reservatório e poupança de energia no sistema de apoio do sistema de armazenamento de energia por adsorção, para os meses de
Janeiro e Dezembro.
Figura 4 – Evolução da temperatura da água da rede e da temperatura da água pré-aquecida no reservatório secundário do sistema com adsorsor.
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5. CONCLUSÕES
Neste artigo é apresentado e analisado um sistema de armazenamento de energia térmica para água quente sanitária incorporando um módulo de adsorção, que tem por objectivo melhorar o desempenho dos sistemas solares térmicos tradicionais. São descritos os componentes e o modo de funcionamento do sistema e, no final, são apresentados alguns resultados da simulação anual do sistema. Os resultados permitem, entre outros, mostrar o comportamento do módulo de adsorção e determinar a poupança de energia no sistema de apoio em relação a um sistema solar térmico tradicional. Com os parâmetros testados e para igual volume de água, atinge-se uma poupança anual de energia de 16.8% no sistema de apoio. Além disso, a temperatura de entrada da água no reservatório de AQS é mais elevada no sistema com adsorsor devido ao aproveitamento do calor de condensação para pré-aquecimento da água da rede, contribuindo para a melhoria do desempenho global do sistema. Verifica-se ainda uma maior eficiência do sistema de captação de energia solar, com um aumento de 4.2% na energia solar térmica transferida pelos colectores para o reservatório com o sistema de adsorção em relação ao sistema tradicional. Estes primeiros resultados são animadores quanto ao potencial de utilização do módulo de adsorção nos sistemas de armazenamento de energia térmica para preparação de água quente sanitária. Prevê-se que o aumento de performance conferido pela utilização do módulo de adsorção possa ser ainda melhorado através da optimização do sistema.
AGRADECIMENTOS
O primeiro autor agradece o apoio da Fundação para a Ciência e a Tecnologia, através da bolsa de Doutoramento com a referência SFRH/BD/90520/2012.
REFERÊNCIAS
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[2] Aydin D, Casey SP, Riffat S. The latest advancements on thermochemical heat storage systems. Renewable and Sustainable Energy. 2015;41:356–367.
[3] N’Tsoukpoe KE, Liu H, Le Pierrès N, Luo L. A review on long-term sorption solar energy storage. Renewable and Sustainable Energy. 2009;13(9):2385–2396.
[4] Fernandes MS, Brites GJVN, Costa JJ, Gaspar AR, Costa VAF. Review and future trends of solar adsorption refrigeration systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014;39:102–23.
[5] Brites GJVN. Desenvolvimento e otimização de um sistema de refrigeração solar por adsorção. 2013. Tese de doutoramento, Departamento de Engenharia Mecânica, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra.
[6] Brites GJVN, Costa JJ, Costa VAF. Influence of the design parameters on the overall performance of a solar adsorption refrigerator. Renewable Energy. 2016;86:238–50. [7] Xu J, Wang RZ, Li Y. A review of available technologies for seasonal thermal energy
storage. Solar Energy 2014;103:610–38.
[8] Yu N, Wang RZ, Wang LW. Sorption thermal storage for solar energy. Progress in Energy and Combustion Science. 2013;39(5):489–514.
[9] Fernandes MS, Brites GJVN, Costa JJ, Gaspar AR, Costa VAF, Modeling and parametric analysis of an adsorber unit for thermal energy storage. 2016. Submitted to Energy.
