Coletores térmicos de concentração

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1 Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Coletores térmicos de concentração 2 º. semestre, 2015 Coletores concentradores Para muitas aplicações é desejável fornecer energia a temperaturas maiores que aquelas possíveis com coletores planos; Uma das possibilidades é através da diminuição da área na qual as perdas térmicas ocorrem. Isso é feito interpondo um dispositivo ótico entre a fonte de radiação e a superfície absorvedora de energia. Menores absorvedores correspondem à menores perdas térmicas quando comparados aos coletores planos operando na mesma temperatura do absorvedor; Os concentradores podem ser divididos em: (a) não formadores de imagem (ou anidólicos) ou formadores de imagem. Além disso podem ser divididos em refletores ou refratores; ou em convexos, planos e côncavos, ou com ou sem cobertura; e ainda com seguimento ou estático. 2 1

2 Algumas configurações de coletores concentradores (a) Absorvedor tubular com refletor difuso de fundo, (b) absorvedor tubular com refletor especular, (c) receptor plano com refletores planos, (d) concentrador cilindro parabólico (ou calha parabólica), (e) refletor Fresnel, (f) campo de heliostatos com torre central. 3 Relação de concentração Existem duas definições de relação (ou fator) de concentração. A primeira delas é geométrica, que é a mais utilizada para sistemas de concentração térmicos, definida por: C = C = geo A A a r onde A a é a área de abertura e A r é a área do receptor. Outra definição que pode ser empregada é chamada de relação de concentração de fluxo, definida como a razão entre o fluxo de radiação na abertura em relação ao fluxo de radiação no absorvedor, conforme: I C flux = I a r 4 2

3 Relação de concentração A relação de concentração tem um limite superior que depende se a concentração é tridimensional (concentradores circulares ou paraboloides) ou bidimensional (linear) tal como em um concentrador de calha parabólica. Como mostrado por Rabl(1976), baseado na 2ª. Lei da Termodinâmica aplicada a uma transferência de calor por radiação entre o Sol e o receptor, conforme mostrado na figura abaixo: A r A a onde θ s é o semi-ângulode aceitação (ângulo de aceitação é 2θ s i.é, a faixa angular sob a qual todos ou quase todos os raios são aceitos pela abertura do concentrador, sem movimentá-lo). Ver derivação em Duffie e Beckman(2006). - Rabl, A. Comparision of solar concentrators. Solar Energy, v. 18, pp. 93-xx, Duffie, J.A., Beckman, W.A. Solar engineering of thermal process. Hoboken: John Wiley, 3ª. Ed., Relação de concentração A máxima relação de concentração para um concentrador 3D é dada por: C max, 3D 1 = 2 sin θ s e para um concentrador 2D é dada por: θ s C max, 2 D = sin 1 θ s Como o raio angular do Sol é de s = 4,7 mrad (θ s = 0,27 ) a máxima relação de concentração para concentradores circulares (3D) é de , enquanto para concentradores 2D é de

4 Relação de concentração Quanto maior é a temperatura na qual a energia deverá ser fornecida, maior deverá ser a relação de concentração e mais precisa deverá ser a ótica do concentrador e de seu sistema de orientação. A curva lowerlimit da figura acima representa as relações de concentração na qual as perdas térmicas se igualam com a energia absorvida. Assim, valores maiores de Cresultarão em ganhos úteis. A área sombreada corresponde a eficiências entre 40 e 60%, representando faixas de operação. 7 Relação de concentração Na prática o ângulo de aceitação deverá ser aumentado (e, como consequência, a relação de concentração diminui) em função de: Concentradores convencionais são baseados em sistemas óticos que se afastam muito da condição de limite termodinâmico por fatores de 2 a 4; Erros de seguimento ou no contorno dos espelhos e no alinhamento dos receptores obrigam a trabalhar com ângulos de aceitação maiores que os do sol; Nenhuma lente ou material de fabricação dos espelhos é perfeitamente especular, obrigando o aumento do ângulo de aceitação; Devido aos efeitos de dispersão da radiação na atmosfera, parte significativa da radiação solar vem de outras direções do hemisfério celeste, além do disco solar. 8 4

5 Concentradores não formadores de imagem - anidólicos Como o nome diz, não produzem uma imagem claramente definida do sol no absorvedor, mas sim distribuem todas as partes do disco solar em todas as partes do absorvedor. Um destes concentradores é chamado de CPC (compoud parabolic concentrator) ou concentrador parabólico composto. Na figura abaixo é mostrada a seção transversal de um CPC simétrico não truncado. d Ci = d 1 = 2 1 sinθ c 9 Concentradores não formadores de imagem - anidólicos Este concentrador tem a capacidade de refletir para o receptor toda a radiação incidente na apertura, dentro do ângulo de aceitação. A radiação difusa dentro desse ângulo também é considerada útil para o concentrador. 10 5

6 Concentradores não formadores de imagem - anidólicos Um CPC ideal com um semi-ângulode aceitação de 23,5 terá C i = 2,51 e um com semi-ângulode aceitação de 11,75, C i = 4,91. Este concentrador pode ser utilizado com um mínimo de ajuste de seguimento (sazonais) e por isso chamado de concentrador estático. 11 Concentradores não formadores de imagem - anidólicos A figura abaixo mostra a fração da radiação incidente na abertura de um concentrador com semi-ângulode abertura θ c em função do ângulo θ, que atinge o absorvedor. Nessa figura, é o erro angular da superfície; ( ) CPC sem erro de superfície; (----) CPC truncado sem erro de superfície e (... ) CPC com erros de superfície. 12 6

7 Concentradores não formadores de imagem - anidólicos Na parte superior das parábolas de um CPC, as superfícies são paralelas em relação ao plano central de simetria do concentrador e, dessa forma, os refletores pouco contribuem para que a radiação alcance o absorvedor. Assim, o concentrador pode ser truncado de uma altura hpara uma altura h T, economizando área de refletor mas sem grande impacto no seu desempenho. 13 Concentradores não formadores de imagem - anidólicos Exemplos de concentradores CPC truncados: 14 7

8 Concentradores formadores de imagem: lineares Concentradores tipo calha parabólica (CCP) são concentradores lineares com seção transversal parabólica. São utilizados para relações de concentração intermediárias e faixa de temperatura entre 100 até 500 C. O absorvedor geralmente é cilíndrico e envolto por uma cobertura de tubo evacuado. O princípio de funcionamento de um CCP baseia-se na propriedade geométrica de que um espelho parabólico reflete para o foco os raios incidentes normais ao plano de abertura da parábola. No foco da parábola localiza-se o elemento absorvedor, que recebe a radiação concentrada e transfere esta energia sob a forma de calor para um fluido de trabalho. 15 Concentradores formadores de imagem: lineares O fator de concentração geométrico, Cpode também ser calculado pela razão entre a largura dos espelhos, w, e a circunferência do tubo absorvedor. Assim, o fator de concentração é dado por: C w = π d o C = ou w d o 16 8

9 Concentradores formadores de imagem: lineares A fig. abaixo mostra uma seção transversal de um coletor parabólico linear. A eq. da parábola, para o sistema de coordenadas representado na figura é dado por: y 2 = 4 fx Na figura, aé a abertura do concentrador e fé o comprimento focal (distância entre o ponto focal e o vértice). Para qualquer ponto do refletor parabólico, o raio local do espelho é dado por: 2 f r = 1 + cosφ 17 Concentradores formadores de imagem: lineares O feixe de radiação mostrado na fig. abaixo incide no refletor no ponto B, na borda, onde o raio do espelho é máximo emr r. O ângulo Φ r é o ângulo de borda ou de aceitação, descrito por AFB, e dado por: ( f / a) 2 ( f / a) a Φr = tan = sin rr O ângulo de aceitação define qual o desvio angular de um raio, com relação a uma linha reta normal ao plano de abertura da parábola, que o espelho consegue refletir para o tubo absorvedor. Este valor é menor nas extremidades da parábola. A precisão do sistema de rastreamento precisa ser superior a este ângulo, caso contrário haverá uma grande parcela da radiação refletida que não atingirá o tubo absorvedor. 18 9

10 Concentradores formadores de imagem: lineares Para os coletores CCPque possuem rastreamento solar em apenas um eixo, com orientação norte-sul e posicionados na horizontal, o ângulo de incidência θé calculado por (Rabl, 1985), θ = cos ( cosφ cos w + tanδsenφ ) sen w cosδ + onde δé a declinação solar, φé a latitude do local e ωé o ângulo horário, todos em graus. O ângulo de incidência da radiação, θ, em coletores cilindro parabólicos, varia conforme o dia do ano devido à declinação solar, δ, e também com a hora do dia. 19 Concentradores formadores de imagem: lineares As principais partes que formam um CCP são: os elementos absorvedores, os refletores cilindro parabólicos, o sistema de rastreamento solar e a estrutura de suporte. O elemento absorvedor é formado por um tubo metálico, localizado no foco da parábola, por onde escoa o fluido de trabalho. É envolvido por um tubo de vidro, concêntrico ao tubo metálico, sendo que o espaço anular formado é evacuado. Este vácuo suprime a convecção entre os dois tubos, reduzindo as perdas térmicas para o ambiente. O tubo do absorvedor possui um recobrimento seletivo que confere alta absortividade da radiação no espectro solar e uma baixa emissividade de radiação infravermelha. Os recobrimentos seletivos mais utilizados são compostos por material do tipo cermet, uma mistura de cerâmica com metal e são depositados na superfície do tubo pelo processo sputteringou deposição física de vapor (PVD). A absortividade de radiação no espectro solar chega a ser maior que 95,5% a 400 C e a emissividade de radiação térmica infravermelha é menor que 9,5%

11 Concentradores formadores de imagem: lineares Os recobrimentos obtidos por PVD sofrem grande degradação a altas temperaturas quando em contato com o ar, por isso alto vácuo é necessário no espaço entre os dois tubos. O recobrimento seletivo deve ser barato e de fácil fabricação, além de ser estável se exposto ao ar a temperaturas elevadas, em caso de perda do vácuo. O tubo de vidro, geralmente de borossilicato, deve possuir alta transmissividade. Para isto eles possuem um tratamento anti-reflexivonas superfícies interna e externa. Nos tubos de vidro mais modernos a transmissividade chega a ser próxima de 96,5% para a radiação no espectro solar. Como o vidro e o metal possuem coeficientes de dilatação térmica diferentes, existe uma união vidro-metalque deve permitir um pequeno movimento relativo entre eles e ao mesmo tempo garantir a vedação para manter o vácuo. A concentração da radiação solar nestas uniões causa uma acelerada degradação das mesmas, fazendo com que estas percam o vácuo ou com que o tubo de vidro se quebre. Este é o tipo de falha mais comum e uma grande fonte de despesas adicionais com reposição como também pela diminuição da performance dos absorvedores trabalhando sem vácuo. 21 Concentradores formadores de imagem: lineares O sistema de juntas utilizados para a união entre os tubos de vidro é mostrada na figura abaixo

12 Concentradores formadores de imagem: lineares Os refletores de coletores cilindro parabólicos representam aproximadamente 30% do custo do coletor, entretanto, uma vez que o custo da estrutura do coletor está diretamente relacionada ao custo dos refletores, estes podem representar até 75% do custo total dos coletores. Os refletores empregados são de três tipos: espelhos de vidro, chapas de alumínio de alta refletividade e películas adesivas espelhadas. Os mais utilizados em grandes centrais de geração termoelétrica são os de vidro, onde o material refletor é a prata. Os espelhos de vidro possuem alta refletividade, ρ > 95,5% e grande durabilidade. Alguns fabricantes conseguem obter um fator de precisão geométrica de 99,9%, para cada espelho individual, na reflexão da radiação direta para o absorvedor. 23 Concentradores formadores de imagem: lineares A sujeira acumulada nos espelhos, principalmente poeira, reduz a refletividade em torno de 2% ao dia, sendo necessário fazer a limpeza dos mesmos periodicamente, geralmente com água deionizada. Com relação à limpeza, os espelhos de vidro apresentam a grande vantagem em relação aos outros tipos pois após a limpeza a refletividade retorna ao valor original, enquanto os outros apresentam desgastes

13 Concentradores formadores de imagem: lineares O sistema de rastreamento solar é responsável por movimentar o sistema de modo a estar sempre na orientação correta em relação ao sol. Geralmente utiliza-se o sistema de coordenadas calculadas. Alguns algoritmos utilizados atualmente têm precisão de 0,5 minuto de arco. Para a movimentação são utilizados motores elétricos com reduções ou pistões hidráulicos. A estrutura de suporte e sustentação dos coletores deve suportar o próprio peso do sistema e garantir que este não sofra deformações em todas as posições em que o coletor trabalhará e as cargas de vento. 25 Planta solar SEGS VI 26 13

14 Planta solar SEGS VI O campo solar da SEGS VI é composto por 50 voltas de 16 conjuntos de coletores cada, distribuídas em duas fileiras paralelas, como mostrado na figura: O comprimento de cada volta de coletores é de aproximadamente 794 m, dividido em duas filas, com um comprimento efetivo de espelhos de aproximadamente 754 m. O sistema de rastreamento solar de cada SCA funciona no sentido leste para oeste, alinhados no eixo norte sul. Em operação nominal a temperatura do fluido térmico quente na saída do campo solar é de 390 o C. 27 Concentrador Fresnel linear Neste sistema, um conjunto de refletores planos (ou com uma leve curvatura) concentram a radiação solar em um receptor invertido, colocado em uma posição mais elevada. O fluido de trabalho escoa através do receptor, sendo então aquecido (a alta temperatura ou mesmo vapor). É um sistema similar ao coletor cilíndrico parabólico, com a vantagem de custo mais baixo para a estrutura de suporte e os refletores. Entende-se como uma tecnologia de baixo custo para a produção de calor de processo para aplicações industriais

15 Concentrador Fresnel linear 29 Concentrador Fresnel linear 30 15

16 Concentrador Fresnel linear 31 Concentrador Fresnel linear O coletor linear Fresnel (LFR) é composto de três partes: campo de espelhos, receptor e dispositivo de rastreamento solar. O campo de espelhos é constituído por um número de tiras de espelho onde o eixo central desses espelhos estão em paralelo um com o outro, no mesmo plano horizontal. A fim de captar a radiação para o receptor, o dispositivo de rastreamento faz com que os espelhos girem em torno de seu eixo, de acordo com a trajetória do Sol. O receptor pode absorver a energia gerada pela radiação e a transporta para um fluido térmico que circula dentro do tubo do absorvedor

17 Geometria dos receptores 33 Concentrador Fresnel linear O desempenho ótico de um LFR é limitado em função do ângulo no qual a radiação direta atinge o refletor e também porque os espelhos devem ser orientados para refletir a radiação para o receptor, não estando apontados para o Sol. Essa orientação não-normal em relação aos raios incidentes é a principal perda ótica do LFR. Essas perdas acontecem em relação aos dois planos: transversal (perpendicular ao eixo do coletor) e longitudinal (paralelo ao eixo do coletor)

18 Concentrador Fresnel linear 35 Concentrador Fresnel linear O desempenho ótico de um LFRvaria significativamente ao longo do ano, com o desempenho máximo nos meses de verão. A figura abaixo apresenta um exemplo da variação da eficiência ótica total sobre um ano

19 Concentrador Fresnel linear 37 Concentrador Fresnel linear (3.12) Projeção do vetor Terra-Sol no plano transversal aos espelhos: V = Vsenθ cosγ V V x y z z = Vsenθ senγ z = V cosθ z s s ρ = tan 1 senθ z senγ s cosθ z 38 19

20 Concentrador Fresnel linear Ângulo de inclinação dos espelhos: ϕn ρ ϕn ρ θn = ϕn ξn = ϕn = 2 2 A variação do ângulo de inclinação é igual para todos os espelhos, assim pode ser utilizado apenas um motor para movimentar todo conjunto. 39 Concentrador Fresnel linear Influência da altura do receptor: Energia térmica produzida [kwh] Altura do Receptor [m]

21 Concentrador Fresnel linear Influência do número de espelhos: Energia térmica produzida (kwh) Número de espelhos Concentradores formadores de imagem: disco parabólico Um concentrador tipo disco parabólico concentra a radiação direta em um receptor localizado no ponto focal do disco. A radiação é então absorvida no receptor para aquecer um fluido ou um gás, em torno de 750 C. Um líquido ou gás é então utilizado para gerar eletricidade (ciclo Stirling ou micro turbinas)

22 Concentradores formadores de imagem: torres (ou receptor central) Composto por uma matriz circular de heliostatos(grandes espelhos com sistemas de seguimento do sol) concentram a radiação direta em um receptor central montado no alto de uma torre. Um fluido térmico circula nesse receptor central, absorvendo calor que é utilizado para geração de vapor superaquecido para alimentação de uma turbina. Protótipos estão sendo desenvolvidos para utilizar ar ou gás pressurizado em temperaturas superiores a C, usando o fluido diretamente em uma turbina a gás, em substituição ao gás natural (ciclos com eficiência maior que 60%) ou em ciclos combinados. 43 Concentradores formadores de imagem: torres (ou receptor central) 44 22

23 Concentradores formadores de imagem: torres (ou receptor central) 45 Custos Segundo DOE (2007), o custo nivelado da energia produzida por plantas solares térmicas de concentração encontra-se entre US$ 10 a 12,6 centavos/kwh, representando investimentos na ordem de US$ a 3.000/kW. A previsão para 2020 é o esses custos possam reduzir para US$ 3,5 a 6,2 centavos/kwh; Essa redução seria decorrente do desenvolvimento da tecnologia, tamanho da planta e produção em massa MW SEGS LCOE 2002$/kWh MW SEGS MW SEGS Current Potential 2004 Technology, 50-MWe Size Future Cost Potential Factors Contributing to Cost Reduction - Scale-up 37% - Volume Production 21% - Tech Development 42% Cumulative Installed Capacity (MWe) - DOE, Assessment of potential impact of concentrating solar power for electricity generation. DOE/GO ,

24 Custos 1 =1.35 US$ 47 Regiões com elevado potencial para geração de energia com concentração 48 24

25 Regiões com elevado potencial para geração de energia com concentração 49 Ciclos de potência utilizadas para geração de energia 50 25

26 Perfil da produção de energia elétrica com sistemas solares 51 Comparação em sistemas 52 26

27 Capacidades de sistemas de concentração atuais - Greenpeache, Concentrating solar power, Global outlook 09: why renewable energy is hot, Maturidade das tecnologias para sistemas de concentração 54 27

28 Fim!!! 55 Concentradores formadores de imagem: SLATS Esse conceito de concentrador, genericamente denominado de refletor móvel e receptor estático é comumente chamado de SLATS, que é um acrônimo de solar linear array thermal system. Embora cada segmento individual de espelho (slats) gire sobre um eixo linear para focar a radiação direta incidente em um receptor estacionário, a estrutura (e dessa forma a abertura do coletor) de suporte dos espelhos permanece fixa no espaço. Assim, esse conceito pode ser considerado um concentrador de abertura fixa e essa abertura é definida pelo estrutura retangular dos refletores