Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica 3 º. trimestre, 2015 A energia solar é uma fonte de energia dependente do tempo. As necessidades de energia para uma grande variedade de aplicações também são dependentes do tempo, mas de uma forma diferente da energia solar fornecida. Consequentemente, o armazenamento de energia ou outro produto do processo solar é necessário caso a energia solar deva fornecer porções substanciais das necessidades energéticas. Em um sistema de energia solar, a interdependência entre o desempenho de um dispositivo e outro é muito grande. Por exemplo, a dependência do desempenho do coletor solar com a temperatura do fluido na entrada afeta os demais componentes, como o tanque de armazenamento. 2 1
Em sistemas de aquecimento solar passivo, o coletor e o armazenamento estão integrados na estrutura do edifício de forma que o desempenho do meio de armazenamento é dependente da energia absorvida. A capacidade ótima do sistema de armazenamento é função da disponibilidade de radiação solar, da natureza da carga, do grau de confiabilidade necessário para o processo, da maneira como a energia auxiliar é fornecida e da análise econômica para determinar a quantidade da demanda anual de energia que deverá ser suprida pela fonte solar e pela fonte auxiliar. 3 A energia armazenada pode ser na forma de calor sensível em um líquido ou meio sólido, como calor de fusão em sistemas químicos ou como energia química de produtos em um processo químico reversível. Energia mecânica pode ser convertida em energia potencial e armazenada em fluidos em posição elevada. Produtos de processos solar podem ser armazenados: água destilada de processos de destilação pode ser armazenada em reservatórios para uso posterior e energia elétrica pode ser armazenada na forma de energia química, em baterias. 4 2
A escolha do meio de armazenamento depende do processo. Para sistemas de aquecimento de água, a escolha óbvia é o armazenamento de água quente (sensível). Para coletores de aquecimento de ar, o armazenamento como calor sensível em um meio particulado (leito de pedra, por exemplo), parece o mais indicado. Em sistemas de aquecimento passivo, o armazenamento do calor sensível é feito na própria estrutura do edifício. 5 As principais características de um sistema de armazenamento são: Capacidade por unidade de volume; Faixa de temperatura de operação temperatura do calor adicionado e removido do sistema; Mecanismos de adição ou remoção do calor e diferenças de temperatura associadas com o processo; Estratificação da temperatura no reservatório; Potência necessária para adição e remoção do calor; Elementos estruturais associados ao sistema de armazenamento (tanques ou outras estruturas); Meios para controlar as perdas térmicas do sistema de armazenamento; Seu custo. 6 3
Exemplo da relação capacidade volume: Dimensões relativas aproximadas para uma dada energia armazenada para diferentes tipos de armazenamento: puramente térmico e armazenamento químico (combustão). 7 Uma relação entre a temperatura média do coletor e a temperatura na qual o calor é fornecido à carga é dada por: T col + T + T + T + T Tcar = T ( transporte desde o coletor até o reservatório) ( no reservatório) ( perdas no reservatório) ( transporte do reservatório até a aplicação) ( na aplicação) Essas quedas de temperatura ao longo dos vários processos deverão ser minimizadas para garantir a melhor eficiência do sistema. 8 4
Armazenamento de água Para muitos sistemas solares a água é o material ideal para armazenamento de calor. A energia é adicionada e retirada do reservatório pelo próprio meio de armazenamento, eliminando assim a queda de temperatura entre o fluido de transporte e o reservatório de armazenamento. Um sistema típico é apresentado abaixo: T o T s para a carga T s Q s = ( mc p ) Ts s T i = T s onde Q s é a capacidade térmica total para um ciclo de operação através da variação de temperatura T s e mé a massa de água na unidade. Essa equação é válida para um tanque completamente misturado. 9 Armazenamento de água Na figura anterior apresentou-se um sistema com trocador de calor no reservatório, onde os dois fluidos podem ou não ser iguais (água). Em lugares com temperaturas ambientes baixas, para evitar o congelamento nos tubos, pode ser utilizado um fluido térmico circulando pelo coletor. Na figura abaixo apresenta-se um sistema convencional onde o único fluido circulando é a água: 10 5
Armazenamento de água Realizando um balanço de energia em um tanque estratificado, conforme detalhe da figura abaixo, obtém-se a seguinte equação: Energia do coletor a T o Tanque misturado a T s Energia para a carga a T s Energia perdida a T a dts ( mc ) = Q& L& ( UA) ( T T ) p s dt u s s s a onde Q u e L s são taxas de adição e remoção de energia do coletor e para a carga. T a é a temperatura ambiente para o tanque (que pode ser diferente da temperatura ambiente para o coletor). 11 Armazenamento para sistemas de aquecimento de ar Sistemas de aquecimento de ar para fins de conforto ambiental ou aplicações industriais, como secagem, por exemplo, podem utilizar diversos tipos de reservatórios térmicos. Na figura abaixo mostra-se um sistema de aquecimento de ar via aquecimento de água com coletores planos. O reservatório de água quente, além de armazenar o calor, facilita a troca térmica com a corrente de ar. Vantagem: maior temperatura de operação do que um sistema tradicional a ar. Desvantagem: potência de bombeamento incrementa custos. 12 6
Armazenamento para sistemas de aquecimento de ar O tipo de armazenamento mais usual para sistemas de aquecimento de ar é através do uso de material particulado, entre eles a rocha. Assim, o armazenamento em leito de pedras é bastante comum nessas aplicações, conforme descrito abaixo: Um fluido, geralmente ar circula através do leito de pedras adicionando ou removendo energia. 13 Armazenamento para sistemas de aquecimento de ar Algumas vantagens do armazenamento em leito de pedras: O coeficiente de transferência de calor entre o ar e o sólido é elevado, promovendo a estratificação térmica no reservatório; O custo do material de armazenamento e sua estrutura é baixo; A condutividade do leito é baixa na ausência de fluxo de ar; A perda de carga através do leito é baixa. 14 7
Armazenamento em sistemas passivos Em sistemas de aquecimento passivo, o armazenamento de energia térmica é realizado nas paredes dos edifícios. Um caso particular é a parede coletorarmazenador, disposta de forma a absorver a radiação solar transmitida pela cobertura em um lado da parede. A temperatura da parede aumenta à medida que a energia é absorvida e transmite parte desse calor para o espaço interno por radiação e convecção. Essas paredes podem dispor de controles de fluxo de ar de forma a controlar o ganho de calor interno. 15 Armazenamento sazonal Sistemas de aquecimento de grande escala para fornecer energia para sistemas de aquecimento distritais necessitam sistemas de armazenamento de grande capacidade. Geralmente utilizam o solo como reservatório. O objetivo é armazenar a energia captada no verão para seu uso no inverno. A capacidade do reservatório, por unidade de área do coletor, deve ter magnitude na ordem de duas a três vezes a de um sistema de armazenamento para uso noturno. Ou seja, utiliza-se grandes reservatórios para atender essa carga. Por exemplo: cavernas, grandes reservatórios com água, o próprio solo, etc. 16 8
Armazenamento sazonal Exemplos: 17 Armazenamento sazonal Exemplos: instalações na Dinamarca, Suécia, Alemanha. Volumes entre 1 a 3000 m 3 para edificações multi-familiaresaté 10.000 m 3 para conjuntos residenciais e edifícios comerciais. A maior instalação existente na Europa é um silo de concreto com forro de aço inox, na Alemanha, de 12.000 m 3. É utilizado para armazenar energia solar térmica fornecida por um conjunto de coletores com área de 5.600 m 2, com máxima temperatura de operação de 95 C. 18 9
Armazenamento em concreto para centrais térmicas 19 Armazenamento em concreto para centrais térmicas Fonte: Tamme, R., Concrete storage: update on the German concret TES program. Workshop on thermal storage for trough power system. Golden, Colorado, USA, fev. 2003. 20 10
Armazenamento em centrais térmicas 21 Armazenamento em mudança de fase Armazenamento de calor latente é uma das formas mais eficientes de armazenar energia térmica. O armazenamento de calor latente fornece uma densidade de armazenamento maior que a do calor sensível, com uma menor diferença de temperatura entre o calor armazenado e o liberado. Materiais que experimentam mudança de fase em uma dada faixa de temperaturas são úteis para armazenamento de energia, desde que alguns critérios sejam atendidos. A mudança de fase necessita ser acompanhada de um alto efeito do calor latente e ser reversível durante um grande número de ciclos sem apresentar sérios problemas de degradação. Os materiais utilizados devem apresentar também elevada condutividade térmica. O ponto de fusão deve encontrar-se na faixa de operação do sistema e devem ser baratos, não tóxicos e não corrosivos. Materiais que fundem a temperaturas menores que 15 C são utilizados para armazenar frio em aplicações de ar condicionado enquanto materiais que se fundem a temperaturas maiores que 90 C são utilizados em sistemas de potência, refrigeração por absorção, etc. 22 11
Armazenamento em mudança de fase A mudança de fase deve ser acompanhada de sub-resfriamento e superaquecimentolimitados além de dispor de meios adequados para conter o material e para transferir calor para dentro e fora. Também: o custo do material e do tanque devem ser adequados. Como vantagens, o armazenamento com mudança de fase possibilita a operação em uma faixa pequena de temperaturas, volume e massa relativamente pequenos e elevada capacidade de armazenamento. 23 Armazenamento em mudança de fase A capacidade de armazenamento de um material em mudança de fase, aquecido de T 1 para T 2 é dado por: [ ( T T ) + + C ( T )] Q = m C T s s 1 λ l 2 Onde mé a massa do material, C s e C l são os calores específicos das fases sólido e líquido e λé o calor latente de mudança de fase. A temperatura de mudança de fase é T *. Por exemplo: o sal de Glauber (Na 2 SO 4 10 H 2 O), um dos primeiros materiais utilizados para armazenamento com mudança de fase, apresenta as seguintes características: C s 1950 J/(kg C); λ= 2,43x10 5 J/kg (a 34 C)e C l 3550 J/(kg C) Aquecendo 1 kg desse material, de 25 C a 50 C obtém-se: 5 [ ( 34 25) + 2,43 10 + 3350( 50 34) ] = 0, MJ Q s = 11950 315 Para a água, nas mesmas temperaturas: [ 4180( 50 25) ] 0, MJ Q s = 1 = 105 24 12
Armazenamento em mudança de fase O sal de Glauber aquecido até aproximadamente 34 C produz a seguinte reação: Na2SO4 10 H2O + energia Na2SO4 + 10H2O O armazenamento de energia é acompanhado da reação da esquerda para a direita enquanto a extração acontece da direita para a esquerda. Esse sal apresenta problemas de degradação em ciclos repetidos, diminuindo a capacidade térmica do sistema. Além disso, à medida que a temperatura aumenta além do ponto de fusão há uma separação em uma fase líquida (solução) e uma fase sólida. Como a densidade do sal é maior que a densidade da solução, a separação das fases ocorre. 25 Armazenamento em MF para altas temperaturas 26 13
Armazenamento em MF para altas temperaturas 27 Armazenamento em MF para altas temperaturas 28 14