Desenvolvimento de superfícies opticamente seletivas e suas aplicações em painéis solares térmicos

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1 REMAN Desenvolvimento de superfícies opticamente seletivas e suas aplicações em painéis solares térmicos Denis G. F. David, LaPO IF/UFBA 1

2 Objetivos Desenvolver tecnologias para aumentar o desempenho dos sistemas de energia solar térmica Estudar superfícies opticamente seletivas destinadas a otimizar a absorção no visível e reduzir as perdas por radiação infravermelha Conseguir processos de fabricação de superfícies seletivas de qualidade e de baixo custo 2

3 Painéis solares térmicos Princípios : Geralmente a absorção da luz solar pela matéria gera calor : h.ν Q, Esse calor é transmitido para um fluido (ar, água, vapor, fluido térmico), O fluido transfere o calor até o local de utilização : secador, aquecedor, motor, refrigerador. 3

4 Painéis solares térmicos Tipos de dispositivos: Dispositivos com sistema óptico de concentração da luz : um espelho côncavo concentra a luz no fluido dentro de uma fornalha temperaturas até 3000 C. Dispositivos tubulares com sistema de concentração segundo uma direção única temperaturas até 400 C. Dispositivos planos sem concentração temperaturas até 150 C. 4

5 Painéis solares térmicos Usina termelétrica solar (Duke Solar) 5

6 Painéis solares térmicos 1000 Insolação 13 de dezem bro de Potência solar (W/m²) :47:51 11:35:45 14:23:39 17:11:32 T e m p o (h :m :s ) 6

7 Painéis solares térmicos Painéis solares sob vácuo Ducha solar compacta 7

8 Painéis solares térmicos Balanço térmico no painel solar plano: W sol T ext Condução, convecção Radiação Ar Vidro Painel enegrecido e tubos de água/vapor Q, T in ν.w sol Q, T out h Isolação térmica Parede Condução, convecção Radiação T ext 8

9 Painéis solares térmicos Quando as perdas por radiação predominam (T>100 C): he.(t 1 -T amb ) σ.t 1 4 σ.t amb 4 W sol (visível) Vidro k ar.(t 3 -T 2 )/e ar ε IR.σ.T 3 4 Ar σ.t 2 4 ν.ε vis.w sol Chapa coletora 9

10 Painéis solares térmicos Com k ar = 0,025 W/m/K, h e = 5 W/m²/K, σ = 5, W/m²/K 4, um aquecimento W sol = 700 W/m 2, transmissão do vidro no visível ν = 0,8 e T amb = 27 C, acha-se : T2 = 77 C T3 = 135 C k ar /e ar.(t 3 -T 2 ) = 50 W/m 2 (e ar = 30 mm) h e.(t 2 T amb ) = 250 W/m 2 σ.(t 24 T amb4 ) = 400 W/m 2! 10

11 Superfícies seletivas: problema A emissão térmica da matéria (Einstein / Planck): I( λ) Emissão solar no visível (6000 K ) Emissão do painel no infravermelho ( 500 K ) x ,4 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 λ ( µm) 11

12 Superfícies seletivas: princípios Radiação incidente Visível Refletido 100 B Tratamento Seletivo Janela Infravermelho Refletido Radiação Absorvida Infravermelho Emitido Tratamento Seletivo Placa Coletora R(λ)% A(λ)% A λµm B λ µm Caso A - Janela Caso B - Absorvedor 12

13 Superfícies seletivas: a janela Caso A: Óxido de estanho em vidro Controla-se a sua condutividade através da dopagem Controla-se então a freqüência de transição transparente refletor R(λ) σ (condutividade) λ c Técnica de deposição: pirolise de spray O spray é composto de metanol + SnCl 4 + fluoreto de amônio λ 13

14 Superfícies seletivas: o absorvedor Caso B: Óxidos sobre substratos metálicos O tratamento pela deposição de óxido propicia a absorção no visível. O tratamento reduz a absorção do infravermelho a A =e -α(λ).a Substrato metálico A(λ)% λ µm 14

15 Superfícies seletivas : tarefas Fabricação de superfícies seletivas Óxidos absorvedores no visível e transparentes no infravermelho (Cu0, Fe 3 O 4, Cr 2 O 3, etc.) Óxidos transparentes no visível e refletores no infravermelho (SnO 2, etc.) Estudo de propriedades ópticas Construção de um espectrômetro fotoacústico funcionando de 0,5 a 20 µm Realização de espectros de transmissão, reflexão e absorção 15

16 Superfícies seletivas: fabricação Substrato Cobre Cobre Ferro Níquel Óxido (Sulfeto) CuO CuS Fe3O4 Cr2O3 Processo Oxidação em uma solução de soda caustica com material oxidante Exposição aos vapores de enxofre Oxidação em uma solução de soda caustica com nitrato de sódio Eletrodeposição 16

17 Superfícies seletivas: exemplo (Referência 5) 17

18 Superfícies seletivas: conclusão Financiamento: CNPq CT-ENERG 2003 BNB / FUNDECI 2004 CNPq CT-ENERG 2005 Colaboração: Profa Lucimara Roman Stoltz (UFPR) Obrigado por sua atenção. 18

19 Bibliografia 1. COMETTA, Emilio Energia solar Hemus-Livraria Editora Ltda (1978) 2. PALZ, Wolgang Energia solar e fontes alternativas Hemus-Livraria Editora Ltda (1981) 3. LUIZ, Adir M. Como aproveitar a energia solar Editora Edgard Blücher Ltda (1985) 4. J. BRUNEAUX, H. CACHET, M. FROMENT, A. MESSAD - Correlation between structural and electrical properties of sprayed SnO 2 films doped or not with fluorine - Thin Solid Films, 197 (1991) ROOS, M. GEORGSON and E. WICKELGARD -Tin-oxide-coated anodized aluminium selective absorber surfaces I. Preparation and characterization Solar Energy Materials 22 (1991) 19