TUBO À VÁCUO COM RADIAÇÃO CONCENTRADA

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1 1. INTRODUÇÃO TUBO À VÁCUO COM RADIAÇÃO CONCENTRADA O desenvolvimento de novas formas do aproveitamento da energia solar é de extrema relevância ao conceito de sustentabilidade, pois trata-se da utilização de um recurso limpo e abundantemente presente em nosso habitat. A exploração da energia solar é um cenário que vem apresentando um grande crescimento de forma global, entretanto, ainda se encontra muito longe de seu apogeu, o que permite ao ser humano buscar e encontrar diversas maneiras de sua utilização. Um dos requisitos energéticos de nossa sociedade é o da produção de Água Quente Sanitária, destinada à higiene pessoal e limpeza doméstica. Isto pode ser assegurado por sistemas solares térmicos. Existem duas tecnologias principais que foram testadas no tempo: os painéis planos solares e os tubos solares evacuados. O Grupo de Pesquisas EIRE já vem explorando de longa data os sistemas de placas planas. Neste trabalho analisa-se o aproveitamento da energia solar este projeto tem como foco central a maximização do calor em um tubo coletor encapsulado no vácuo (Fig. 1). Este ganho de energia se deverá a interação entre tubo à vácuo e radiação solar concentrada. Para que este objetivo seja atingido será necessário a utilização de outros equipamentos que serão capazes de intensificar a radiação solar em pontos específicos e sistematizar o aparato estrutural em posição estratégica para a obtenção de máxima radiação solar direcionada para um fluido de trabalho. 2. OBJETIVO DA PESQUISA Figura 1: Coletor Solar encapsulado no vácuo. Os sistemas solares térmicos de tubos à vácuo são instalados em paralelo, devidamente orientados e direcionados sem maiores preocupações com complementações térmicas adicionais. O que se propõe investigar é a performance do sistema frente a duas situações: Um tubo a vácuo isolado e o mesmo posicionado no foco de uma parábola concentradora solar, que vai intensificar a radiação.

2 3. METODOLOGIA O projeto do Tubo a Vácuo com Radiação Concentrada (TVRC), iniciou-se na Universidade Federal do Pampa Campus Alegrete em conjunto com o grupo de pesquisa EIRE Exploração Integrada de Recursos Energéticos. Este projeto também contou com a parceria do laboratório de mecânica do campus que possibilitou a implementação prática da estrutura projetada. Neste projeto de pesquisa, o objetivo principal é maximizar o ganho de calor no tubo coletor (tubo à vácuo) utilizando o Concentrador Solar Parabólico (CSP) e direcionar está energia para um possível fluído de trabalho. Também será analisado a influência da radiação solar no tubo para diferentes períodos diários e anuais, levando em consideração os solstícios e equinócios. A estrutura do tubo á vácuo possui declividade de 24, está inclinação foi definida de acordo com o Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito (CRESESB) que informa ser esta a melhor inclinação para a obtenção de radiação na região em que este protótipo será implementado, região Oeste do Rio Grande do Sul. Determinar uma angulação correta para equipamentos expostos a radiação solar e que possuem caráter héliotérmico é extremamente importante, pois a maneira como o aparato encontra-se exposto a radiação diz muito sobre o seu possível ganho de temperatura. A Figura 2 mostra os sucessivos percursos solares no Campus de Alegrete ao longo do ano, delimitado pelos solstícios de inverno e de verão. Destacam-se os intervalos horários, com evidência pera o meio dia (ponto amarelo) que assinala o correto Norte Geográfico. Fonte: Simulação usando o aplicativo SunEarth Figura 2: Percursos Solares ao longo do Ano Campus Alegrete,

3 4. DEFINIÇÃO DE FUNCIONAMENTO DO TUBO A VÁCUO O coletor solar (Tubo à vácuo) trata-se de um equipamento constituinte de duas regiões tubulares concêntricas, a região tubular de vácuo, e a de cobre, envolvidas por um vidro composto de boro silicato. Ambas as regiões são utilizadas como meio de absorção da energia térmica proveniente do sol baseado na teoria dos corpos negros. A estrutura a vácuo tem um grande ganho devido ao fato de que a sua cor escura, próxima ao preto, facilita na concentração e absorção de toda a radiação a que o tubo está exposto. O ponto principal para o funcionamento do tubo, que obtém cerca de 95% de eficiência em absorção da irradiação solar, é o seu isolamento a vácuo entre as camadas, sendo considerado o melhor isolante da atualidade, o vácuo é uma ótima opção para essa aplicação, pois devido a suas propriedades, no caso a ausência de corpo, pode absorver com grande eficiência a radiação solar. Por se tratar de um meio com um número altamente reduzido de partículas a perda de calor é muito próxima a zero. 5. DEFINIÇÃO DE FUNCIONAMENTO DO CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO (CSP) O Concentrador Solar Parabólico trata-se de um equipamento capaz de maximizar os ganhos de temperatura em corpos posicionados em sua posição focal. Este processo decorre-se devido ao fato de que uma parábola com superfície espelhada é capaz de convergir raios luminosos que incidem em sua superfície para um ponto comum, este ponto que é denominado de posição focal. Para um maior ganho de temperatura utilizando este equipamento faz-se necessário a presença de radiação direta, esta radiação direta é aquela que chega a terra sem interferências das nuvens. Portanto, pouca nebulosidade é crucial para o melhor funcionamento do equipamento, já que diminui a presença da radiação difusa, que possui baixos índices de irradiação por ser retida em elementos da atmosfera terrestre. 6. FUNCIONAMENTO DO TVRC O funcionamento do Tubo à vácuo com radiação concentrada (TVRC) trata-se basicamente da junção dos equipamentos anteriormente definidos, ou seja, este equipamento representará o funcionamento de um Concentrador Solar Parabólico (CSP) em conjunto com um coletor solar (Tubo à vácuo). A estrutura que define o TVRC é constituída de 3 partes: Reservatório, Concentrador Solar Parabólico e Coletor Solar. Estas partes são as responsáveis pelo ganho e aproveitamento da energia adquirida. Sendo citado pela primeira vez, o reservatório representa o local onde o possível fluído de circulação repousa após o ganho de energia em forma de calor, a presença do reservatório possibilita a ocorrência de ciclos de circulação para o fluído de trabalho. É de extrema importância entender que este equipamento tem como principal aplicação o aquecimento de fluídos de trabalho pelo processo de troca de energia com a parte interna do tubo à vácuo.

4 Figura 3: Ilustração do algoritmo de funcionamento do TVRC [1][2] O ciclo de circulação do fluído de trabalho ocorre por um processo básico da física termodinâmica, a convecção. Este fenômeno demonstra que após o aquecimento de líquidos e gases, estes fluídos se tornam em partes menos densos e através do empuxo tendem a subir dando lugar para as suas camadas mais frias, esta alternância de posição entre regiões com diferentes temperaturas caracteriza a rotação do fluído. Neste experimento esta rotação pode ser observada na Fig. 4 onde através das setas pode-se compreender o ciclo do fluído entre reservatório e tubo. Na imagem a parte laranja representa o fluído com temperatura mais elevada e a azul com temperatura mais amena. Este ciclo permite a obtenção de maiores temperaturas finais para o fluído de trabalho utilizado. Em síntese, o algoritmo de funcionamento do TVRC é simples. Os processos são divididos em concentrar radiação no tubo à vácuo e aproveitar esta energia fazendo o equilíbrio térmico entre fluído de trabalho e a parte interna do tubo. [3] 7. RESULTADOS E DISCUSSÕES Primeiramente foram realizados testes com a estrutura completa para exemplificar a funcionalidade do TVRC, os testes apenas com o tubo à vácuo serão realizados futuramente para a comparação de dados. Após testes de campo, podese observar o comportamento do TVRC na presença de irradiação solar. Os dados apresentados abaixo demonstraram que o sistema é eficiente, onde pode-se constatar excelentes níveis de temperatura para um fluído de trabalho (água). O fato de ter-se conseguido uma temperatura de 104 C no fluído de trabalho em repouso para um dia com nebulosidade parcial demonstrou que o sistema pode atingir valores ainda mais altos se utilizado em boas condições climáticas com um ganho relativamente elevado se comparado ao modelo convencional. Como dito anteriormente o fluído permaneceu em repouso, ou seja, ele não realizou convecção com o reservatório, pois este ainda não foi acoplado de forma satisfatória na estrutura, a convecção foi realizada apenas no interior do tubo. Embora o mecanismo de circulação do fluído de trabalho ainda não esteja totalmente implementado, acredita-se que uma temperatura semelhante do fluido no interior do tubo poderá ser atingida dentro do reservatório devido ao equilíbrio térmico.

5 Figura 4: Gráfico dos resultados obtidos pelo tempo (TVRC), dia 24/09/ CONSIDERAÇÕES FINAIS O Tubo à vácuo com radiação concentrada apresentou resultados satisfatórios nos testes realizados, já que se obteve uma temperatura significativa para o fluido de trabalho, onde este ficou muito próximo da mudança de estado liquido para o gasoso. De acordo com os dados obtidos também pode-se concluir que este protótipo pode ser direcionado para a otimização dos coletores solares com tubo à vácuo tradicionais, com o aumento da irradiação solar devido a parábola, a quantidade de tubos utilizados no modelo tradicional poderia ser diminuído, reduzindo assim o custo, porém ainda mantendo o ganho original de temperatura. A utilização deste módulo pode acarretar em uma maior aplicação em usos domésticos do concentrador solar com tubo à vácuo, por exemplo para aquecer a água utilizada no banho, onde o equipamento tem um ganho de temperatura satisfatório para suprir esta demanda, apresentando economia ao consumidor. 9. REFERÊNCIAS [1]< ac.htm> Acesso em 15/05/2017. [2] < Acesso em 15/05/2017 [3] BEATRIZ, Convecção < Acesso em 17/06/2017 [4] FRANCO, M.C; WERMUTH, M.C; HASSELEIN; H. KAEHLER, J.W. Concentrador Solar Parabólico e Seu Potencial Para o Aproveitamento da Energia Solar, Acesso em 24/09/2017 [5] PALZ, W. Energia Solar e Fontes Alternativas. Brasil: Hemus