Utilização de sistemas de concentração termossolar para geração de vapor utilizando a tecnologia com espelhos de Fresnel

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1 III dia da indústria heliotérmica Utilização de sistemas de concentração termossolar para geração de vapor utilizando a tecnologia com espelhos de Fresnel Júlio César Passos Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Santa Catarina LEPTEN -Laboratórios de Engenharia de Processos de Conversão e Tecnologia de Energia Professor titular julio.passos@ufsc.br Obs.: Grande parte do material desta apresentação foi retirada do Exame de Qualificação do doutorando Victor César Pigozzo Filho. Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, 26 de agosto de 201

2 Universidade Federal de Santa Catarina DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA/ LEPTEN Principais áreas de trabalho: Concentração Heliotérmica(CSP-Fresnel-DSG), Transferência de Calor com Mudança de Fase(ebulição e condensação), Energia Eólica Atividades e avanços na área de energia heliotérmica: Pesquisa em CSP-Fresnel-DSG(análise experimental e numérica) AMU-Aix-Marseille Université(doutorado sanduíche de Alexandre Bittencourt de Sá) SUN-CNIM, La Seyne sur Mer-França. Construção de uma bancada CSP-Fresnel-DSG(campo solar e absorvedor), com 60 m 2 de área (54 m 2 de espelhos), equivalente a 30 kwtérmicos; Testes com espelhos conformados no LEPTEN-UFSC; Conclusão do campo solar e do absorvedor; Defesa de duas teses de doutorado e de uma dissertação de mestrado, além de trabalhos de final de curso. 2

3 Geração direta de vapor - A geração direta de vapor é uma tendencia nos CFL devido às características construtivas mais favoráveis deste com relação a CCP. - Em muitos processos industriais, vapor na temperatura de 200 C é suficiente. - Para estas temperaturas, o menor custo dos CFL tende a compensar sua menor eficiência.

4 Fresnel Boiling Absorvedor 10 Linhas de espelhos Largura: 5 m Comprimento: 12 m Altura do absorvedor: 4 m Área total: 60 m² Área de espelhos: 54 m² Potência nominal (est.): ~ 27 kwth

5 - Análise geométrica do Fresnel Design do Fresnel

6 Monte Carlo Ray tracing - código desenvolvido no MATLAB. Design do Fresnel

7 - Influência na altura do absorvedor Design do Fresnel

8 Design do Fresnel - Influência na altura do absorvedor - Fator de preenchimento (área de espelhos/ área total)

9 Design do Fresnel - Influência na altura do absorvedor - Fator de preenchimento (área de espelhos/ área total) - Perfil de concentração no absorvedor: foco = 1.1 Cascaes (2015)

10 Design do Fresnel - Influência na altura do absorvedor - Fator de preenchimento (área de espelhos/ área total) - Perfil de concentração no absorvedor: foco = 1.1

11 Campo de espelhos - Espinhas de peixe: peça cortada a laser para fornecer a curvatura desejada para os espelhos - Cantoneiras longitudinais são coladas no espelho e nas espinhas de peixe para transmitir a tensão de deformação ao longo do comprimento - Espelhos colados com cola tipo epoxi

12 Campo de espelhos - A estrutura dos espelhos é fixa nos eixos - Eixos: tubos quadrados 60 x 60 - Superdimensionado! - Cada eixo tem 4 m de comprimento e é apoiado em mancais de rolamento nas extremidades espelhos serão utilizados - 1 m c0mprimento - 45 cm de largura - 3 mm de espessura

13 Espelhos conformados a frio no LEPTEN/UFSC convexidade de 2,5 mm

14 Sistema de rastreamento solar Sistema responsável pelo posicionamento os espelhos ao longo do dia, de acordo com a posição do sol. No Fresnel a relação ente o movimento do sol e dos espelhos é de 2:1 - Mecanismo projetado: - Faixa de operação: (espelhos) ou (sol) - Precisão do posicionamento: 0,1 - O ângulo de incidência solar transversal ao Fresnel é obtido com equações solares. - A orientação dos espelhos é medida com inclinômetro - O bom funcionamento desse sistema é fundamental para se obter boas eficiências e fluxos de radiação elevados no centro do absorvedor

15 Absorvedor Absorvedor de chapas de alumínio prenchidas com lã de rocha para isolamento térmico. Espessura do isolamento: 75 mm Condutividade térmica: 0,04 W/m.K

16 Absorvedor - Janela de vidro para minimizar as perdas de calor para o ambiente. Espaço não evacuado - Tubos absorvedores: 6 tubos de aço inoxidável, com 1 pol. de diâmetro externo e 1,2 mm de parede. Recobrimento seletivo dos tubos absorvedores: Tinta: Solkote Solec Emissividade: 0,20-0,49 Absortividade: 0,88 0,94 Temperatura: C

17 Absorvedor Extensão do suporte do absorvedor para movimentação. Redução de perdas de final de linha. 1,7 m

18 Instrumentação Termopares no absorvedor - Temperatura do fluido - Temperatura da parede do tubo - Temperatura no isolamento - Temperatura do ar na cavidade - Temperatura do vidro

19 Instrumentação Termopares no absorvedor - Temperatura do fluido - Temperatura da parede do tubo - Temperatura no isolamento - Temperatura do ar na cavidade - Temperatura do vidro

20 Instrumentação Termopares no absorvedor - Temperatura do fluido - Temperatura da parede do tubo - Temperatura no isolamento - Temperatura do ar na cavidade - Temperatura do vidro

21 Instrumentação Termopares no absorvedor - Temperatura do fluido - Temperatura da parede do tubo - Temperatura no isolamento - Temperatura do ar na cavidade - Temperatura do vidro

22 Instrumentação Termopares no absorvedor - Temperatura do fluido - Temperatura da parede do tubo - Temperatura no isolamento - Temperatura do ar na cavidade - Temperatura do vidro

23 Instrumentação Termopares no absorvedor - Temperatura do fluido - Temperatura da parede do tubo - Temperatura no isolamento - Temperatura do ar na cavidade - Temperatura do vidro

24 Instrumentação Termopares no absorvedor - Temperatura do fluido - Temperatura da parede do tubo - Temperatura no isolamento - Temperatura do ar na cavidade - Serão utilizados termopares com bainha de inox - Temperatura do vidro - Os termopares terão uma blindagem contra a radiação solar - Transdutores de pressão serão utilizados em alguns pontos do escoamento

25 Instrumentação Outras medições: - Vazão de escoamento - Temperatura ambiente - Radiação Solar Direta (DNI): Estação solarimétrica do Labsolar/LEPTEN - Velocidade e direção do vento - Inclinômetro

26 Layouts de escoamento - Diferentes layouts de escoamento é um dos graus de liberdade de um absorvedor multitubos para Fresnel - É possível acoplar a intensidade do fluxo de radiação ao longo da largura do absorvedor com o coeficiente de convecção interna nos tubos - A conexão entre os tubos é desafiadora devido a falta de espaço e à dilatação térmica diferente para os tubos - A influência nas perdas térmicas deve ser mínima - Outros layouts poderão ser utilizados, inclusive com outra quantidade de tubos

27 Equipe do Projeto Heliotérmica-LEPTEN/UFSC Professor Júlio César Passos Doutorandos: Alexandre Bittencourt de Sá e Victor Pigozzo Mestrandos: Yves Garnard + 2 mestrandos (Selen e Willian) Alunos de IC: João Pedro G. Trancoso, Pedro M. Brogni e Lauro Oliveira Pós-doutorando: Loïc Tachon(bolsista CAPES)

28 Muito obrigado pela atenção!