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CENTRO UNIVERSITRIO DO LESTE DE MINAS GERAIS Curso de graduao em Engenharia Eltrica

PROJETO INTERDISCIPLINAR

ENERGIA SOLAR CONCENTRADA

Amilton Mackson Torres de Lima e SilvaGivago Xavier Ferreira da CostaHedineton de Jesus Ferreira da SilvaIgor Henrique Freitas FaustinoLaura Pacheco Torres Silva

Coronel Fabriciano

Novembro de 2013Amilton Mackson Torres de Lima e SilvaGivago Xavier Ferreira da CostaHedineton de Jesus Ferreira da SilvaIgor Henrique Freitas FaustinoLaura Pacheco Torres Silva

ENERGIA SOLAR CONCENTRADA

Relatrio referente ao projeto interdisciplinar realizado pelos alunos do 6 perodo do curso de Engenharia Eltrica do Centro Universitrio do Leste de Minas Gerais Unileste/MG, sob a orientao do professor Manuel Camela Rafael.

Coronel Fabriciano Novembro de 2013

RESUMO

Este trabalho apresenta um breve estudo sobre energia solar concentrada. Primeiramente apresentada a introduo, onde abordada a importncia da gerao de energia renovvel nos dias atuais, logo aps inserida a fundamentao terica em que se baseia este trabalho, levantando os aspectos importantes relacionados ao assunto. Ento uma concluso acerca dos fatos abordados encerra o trabalho, seguidos das referncias bibliogrficas em que se baseia este.

Palavras chave: energia solar concentrada; energia renovvel.

SUMRIO

RESUMO21.INTRODUO42.OBJETIVOS53.METODOLOGIA64.FUNDAMENTAO TERICA75.ESTUDO DE CASO266.ANLISE E DISCURSO FINAL277.CONCLUSO28REFERNCIAS29

1. INTRODUO

Com o crescimento da atividade industrial, da populao mundial e o surgimento de novas tecnologias em diferentes setores, a demanda por energia eltrica crescente em todas as partes do planeta. Torna-se ento necessrio a construo de novas instalaes de gerao de eletricidade para suprir esta necessidade.

A gerao de energia eltrica por meios convencionais causam grandes impactos ambientais, seja por meio de inundaes de grandes reas por meio da necessidade de se represar gua para hidreltricas, ou a emisso de CO2 provenientes da queima de combustveis fsseis nas termoeltricas, ou a contaminao da gua e solo por radiao gerada por acidentes em usinas nucleares como recentemente ocorreu no Japo.

Um mtodo de gerao de energia renovvel pouco difundido no Brasil, mas que possui grande potencial so os sistemas de energia solar concentrada, no qual coletores concentradores focam a radiao proveniente do sol para fornecer vapor a uma turbina, produzindo assim eletricidade.

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo geral

Este trabalho visa oferecer aos alunos conhecimentos terico sobre a gerao de energia eltrica renovvel por meio dos sistemas de energia solar concentrada, em que se fundamentam estes sistemas e como esta tecnologia pode ser aplicada.

2.2 Objetivo especfico

Conhecer o sistema de energia solar concentrada e seus aspectos. Incentivar a pesquisa por fontes de energia renovveis.

3. METODOLOGIA

A metodologia utilizada neste estudo foi a pesquisa bibliogrfica. Desenvolveu-se este trabalho a partir de textos bases em lngua estrangeira e com auxilio de pesquisas na internet pode-se desenvolver este documento com o intuito de se atender a proposta de pesquisa.

4. FUNDAMENTAO TERICA

4.1 Radiao solar

Todas as substncias, corpos slidos, bem como lquidos e gases a temperatura acima do zero absoluto, libertam energia na forma de ondas eletromagnticas. A radiao que importante para aplicaes de energia solar que emitida pelo sol dentro das regies do ultravioleta, visvel e infravermelho. Portanto, o comprimento de onda da radiao que importante para aplicaes de energia solar est entre 0,15 e 3,0 . Os comprimentos de onda na regio visvel ao olho humano esto entre 0,38 e 0,72 .

4.2 Radiao trmica

Radiao trmica uma forma de emisso e transmisso de energia que depende inteiramente da caracterstica de temperatura da superfcie emissiva. No h um meio de transporte fsico como nos outros modos de transmisso de calor, ou seja, a conduo e conveco. A radiao trmica de fato uma onda eletromagntica que se desloca velocidade da luz (C = 300.000 km/s no vcuo). Esta velocidade est relacionada com o comprimento de onda e frequncia da radiao, como dada pela seguinte equao: (KALOGIROU, 2009).

Quando um feixe de radiao trmica incidido sobre a superfcie de um corpo, uma parte se reflete para longe da superfcie, uma parte absorvida, e uma parte transmitida atravs do corpo. As diferentes propriedades associadas a este fenmeno so a fraco de radiao refletida, chamada refletividade ; a fraco de radiao absorvida, chamada absortividade ; e a frao de radiao transmitida, chamada transmissividade . As trs grandezas esto relacionadas pela seguinte equao: (KALOGIROU, 2009).

A maioria dos corpos slidos so opacos. De modo que e . Se um corpo absorve toda a radiao trmica incidida sobre ele de tal modo que , e , independentemente do carter espectral ou preferncia direcional da radiao incidente, este chamado de corpo negro. Esta uma idealizao hipottica que no existe na realidade (KALOGIROU, 2009).

Um corpo negro no apenas um perfeito absorvedor, tambm caracterizado por um limite superior para a emisso de radiao trmica. A energia emitida por um corpo negro uma funo da sua temperatura e no distribuda uniformemente sobre todo o comprimento de onda. A taxa de emisso de energia por unidade de rea a um determinado comprimento de onda denominado o poder emissivo monocromtico. Max Planck foi o primeiro a obter uma relao funcional para o poder emissivo monocromtico de um corpo negro, em termos de temperatura e de comprimento de onda. Isso foi feito usando a teoria quntica, e a equao resultante, chamada equao de radiao do corpo negro de Planck, dada por: (KALOGIROU, 2009).

OndePoder emissivo monocromtico de um corpo negro (W/m2-). Temperatura do corpo (K).Comprimento ()Constante = 3.74*108 W-4/m2Constante = 1.44*104 -K

Figura 1: Poder emissivo espectral de um corpo negro em funo do comprimento de onda.

Diferenciando a equao acima e igualando a zero, o comprimento de onda correspondendo ao mximo da distribuio pode ser obtido e igual a -K. Isto conhecido como lei do deslocamento de Wien.

O poder emissivo total , e do poder emissivo monocromtico, , de um corpo negro so relacionados por:

Substituindo a equao do poder emissivo monocromtico, na equao do poder emissivo total, e realizando a integrao, resulta na lei de Stefan-Boltzmann:

Onde a constante de Stefan-Boltzmann e igual a 5.6697*10-8 W/m2-K4.

Um corpo negro tambm um emissor difuso perfeito, ento a sua intensidade de radiao, , uma constante em todas as direes, dado por:

As superfcies reais emitem menos energia do que os corpos negros correspondentes. A relao entre do poder emissivo total, E, de uma superfcie real para o poder emissivo total, , de um corpo negro, ambos com a mesma temperatura, e chamada de emissividade de uma superfcie real; isto : (KALOGIROU, 2009).

Expressando a equao dependendo do comprimento pode-se expressa-la por:

A lei de Kirchoff dos estados de radiao que, ou qualquer superfcie em equilbrio trmico, a emissividade monocromtica igual absortividade monocromtica ():

A temperatura (T) usada na equao para enfatizar que esta equao aplica-se apenas quando a temperatura da fonte da radiao incidente e do prprio corpo so as mesmas. Deve-se notar, portanto, que a emissividade de um corpo sobre a terra (em temperatura normal) no pode ser igual radiao solar (emitida a partir do sol a T = 5760 K). A equao pode ento ser generalizada como: (KALOGIROU, 2009).

Esta equao refere-se emissividade total e capacidade de absoro ao longo de todo comprimento de onda. Esta generalizao, no entanto, estritamente vlida apenas se a radiao incidente e emitida tem, alm do equilbrio de temperatura nas superfcies, a mesma distribuio espectral. Tais condies so raramente conhecidas na vida real; para simplificar a anlise dos problemas de radiao, no entanto, a hiptese de que as propriedades monocromticas so constantes ao longo do comprimento de onda muitas vezes feita. Tal corpo com estas caractersticas chamado um corpo cinzento. (KALOGIROU, 2009).

A taxa total de energia radiante, deixando uma superfcie por unidade de rea e chamada de radiosidade (J), dada por:

OndePoder emissivo do corpo negro por unidade de rea (W/m2).Irradiao incidente na superfcie por unidade de rea (W/m2).Emissividade da superfcie.Refletividade da superfcie.

Uma superfcie real tanto um emissor difuso e um refletor difuso e, por conseguinte, tem radiosidade difusa, ou seja, a intensidade da radiao a partir desta superfcie (I) constante em todas as direes. Portanto, a equao seguinte usada para uma superfcie Real: (KALOGIROU, 2009).

4.3 Troca de radiao entre superfcies

Quando se estuda a energia radiante trocada entre duas superfcies separadas por um meio no absorvente, deve-se considerar no s a temperatura das superfcies e as suas caractersticas, mas tambm a sua orientao geomtrica com respeito um ao outro. Os efeitos da geometria da troca de energia radiante podem ser analisados convenientemente pela definio do fator de termo vista, , para ser frao da radiao que sai da superfcie , e que alcana a superfcie . Se as duas superfcies forem negras, a radiao que sai de e chega superfcie , e a radiao que sai da superfcie e chega superfcie . Se ambas as superfcies forem negras e absorverem toda radiao incidente sobre elas, a troca de radiao lquida dada por: (KALOGIROU, 2009).

Se as duas superfcies estiverem com a mesma temperatura, e . Assim:

Deve-se notar que estritamente geomtrica por natureza e vlido para todos os emissores difusos, independentemente das suas temperaturas. Portanto, a troca de radiao lquida entre duas superfcies negras dada por:

Esta equao pode ser escrita como:

Onde e so as temperaturas das superfcies e , respectivamente. Como o termo a diferena de energia potencial que causa a transferncia de calor, com analogia a um circuito eltrico, os termos 1/A1F12 = 1/A2F21 representam as resistncias devidas s configuraes geomtricas das superfcies.

Quando as superfcies que no so negras esto envolvidas em uma troca de radiao, a situao mais complexa, porque vrias reflexes de cada superfcie devem ser tomadas em considerao. Para o simples caso de superfcies opacas cinzas, para os quais , a refletividade . A radiosidade , para cada superfcie dada por: (KALOGIROU, 2009).

A energia radiante lquida deixando a superfcie a diferena entre o radiosidade, , que deixa a superfcies e a irradiao, , incidente sobre a superfcie; isto ,

Combinando as equaes e eliminando a irradiao H resulta em:

Portanto, a energia radiante lquida deixando uma superfcie cinzenta pode ser considerada como a corrente numa rede elctrica equivalente, quando uma diferena de potencial posta sobre um resistncia (1 - )/A. Esta resistncia devida imperfeio da superfcie como um emissor e um absorvedor de radiao em comparao com uma superfcie de um corpo negro. (KALOGIROU, 2009).

Ao considerar a troca de energia radiante entre duas superfcies cinzentas, e , a radiao que deixa e chega . Igualmente, a radiao que deixa a superfcie e chega superfcie . A troca de radiao lquida entre as duas superfcies dada por: (KALOGIROU, 2009).

Portanto, devido orientao geomtrica que se aplica entre os dois potenciais, e , quando duas superfcies cinza trocam energia radiante, a resistncia 1/A1F12 = 1/A2F21. Um circuito eltrico equivalente para as duas superfcies cinza mostrado na figura abaixo.

Figura 2: Circuito equivalente a troca de radiao entre duas superfcies cinza.

Ao combinar a resistncia superficial, (1 - )/A para cada superfcie e a resistncia geomtrica, 1/A1F12 = 1/A2F21, entre as superfcies, a taxa lquida de troca de radiao entre as duas superfcies igual diferena de potencial total dividido pela soma das resistncias, dada por: (KALOGIROU, 2009).

Em aplicaes de energia solar, as seguintes orientaes geomtricas entre duas superfcies so de particular interesse.

A. Para duas superfcies paralelas infinitas, e tem-se que:

B. Para dois cilindros concntricos, tem-se que:

C. Para uma pequena superfcie convexa, , totalmente fechado por uma grande superfcie cncava, and , tem-se que:

A ltima equao aplica-se igualmente para um coletor de cobertura de placa plana, irradiada para o ambiente, enquanto que B aplicvel no caso da anlise de um coletor receptor cilndrico parablico onde o tubo receptor colocado em um cilindro de vidro.

Como pode ser visto a partir das equaes anteriores, a taxa de transferncia de calor por radiao entre as superfcies depende da diferena da quarta potncia das temperaturas superficiais. Em muitos clculos de engenharia, no entanto, as equaes de transferncia de calor so linearizadas em termos das diferenas das temperaturas primeira potncia. Para este efeito, a seguinte identidade matemtica usada: (KALOGIROU, 2009).

Assim, a troca de radiao entre duas superfcies pode ser obtida por:

Com o coeficiente de transferncia de calor por radiao, , definido como:

Para os casos especiais mencionados anteriormente, as expresses para so as seguintes:

A.

B.

C.

Deve notar-se que a utilizao destas equaes de radiao linearizadas em termos de muito conveniente, quando o mtodo de circuito equivalente utilizado para analisar os problemas que envolvem a conduo e / ou convexo alm da radiao. (KALOGIROU, 2009).O coeficiente de transferncia de calor por radiao, , tratado de forma semelhante ao coeficiente de transferncia de calor por conveco, , num circuito elctrico equivalente. Em tal caso, um coeficiente de transferncia de calor combinado pode ser usado, dado por: (KALOGIROU, 2009).

Nesta equao, assume-se que a diferena de temperatura linear entre o fluido do ambiente e as paredes do invlucro e a superfcie e as substncias do invlucro esto mesma temperatura. (KALOGIROU, 2009).

4.4 Radiao total em superfcies inclinadas

Normalmente, os coletores no so instalados horizontalmente, mas em um ngulo para aumentar a quantidade de radiao interceptada e reduzir as perdas refletidas. Por isso, os projetistas de sistemas precisam de dados sobre a radiao solar em tais superfcies. Dados de radiao medidos ou estimados, no entanto, so na sua maioria disponveis para incidncia normal ou para superfcies horizontais. Portanto, existe a necessidade de converter estes dados radiao nas superfcies inclinadas. (KALOGIROU, 2009).

A quantidade de insolao sobre uma superfcie terrestre num determinado local para um dado tempo depende da orientao e inclinao da superfcie. Uma superfcie plana absorve um feixe direto , difuso , e a radiao solar refletida no solo ; assim a radiao total absorvida dada por:

A radiao solar sobre superfcies inclinadas

A radiao solar sobre superfcies na horizontal

Onde Feixe de radiao sobre uma superfcie inclinada Feixe de radiao sobre uma superfcie horizontal

Conclui-se que,

Onde chamado de fator de inclinao do feixe de radiao. O termo pode ser calculado a partir de e o termo pode ser calculado a partir de .

Para o caso especfico de uma superfcie fixa orientada para o sul com ngulo de inclinao , temos que:

Figura 3: Feixe de radiao sobre as superfcies horizontais e inclinadas.

4.5 Energia solar concentrada (concentrating solar power - CSP)

Os sistemas de energia solar concentrada usam combinaes de espelhos ou lentes (denominados coletores), que rastreiam o sol para concentrar a radiao solar do feixe direto, sobre um receptor onde a energia solar absorvida como calor para em seguida ser convertida em eletricidade.

O termo energia solar concentrada muitas vezes usado como sinnimo deConcentrao de energia solar trmica.

4.6 Coletores solares

Coletores solares so trocadores de calor que transformam radiao solar em calor. O coletor capta a radiao solar, a converte em calor, e transfere esse calor para um fluido (ar, gua ou leo em geral) (KALOGIROU, 2009).

Os coletores podem ser basicamente de dois tipos: no concentradores e concentradores. Os coletores no concentradores possuem a mesma rea de abertura(rea para interceptao e absoro da radiao) e so aplicveis para sistemas que necessitem de baixa temperatura. Em aplicaes que demandem temperaturas mais elevadas, so mais adequados os concentradores solares, que possuem em geral uma superfcie refletora (em alguns modelos so utilizadas lentes) que direcionam a radiao direta a um foco, onde h um receptor pelo qual escoa o fluido absorvedor de calor (KALOGIROU, 2009).

Os coletores solares ainda podem ser classificados em estacionrios ou rastreadores. Dentre os rastreadores, os coletores podem rastrear em um eixo ou em dois eixos (KALOGIROU, 2009).

Os coletores solares com concentrao podem ser utilizados em diferentes sistemas para gerao de energia eltrica. Os principais tipos de sistema encontram-se listados na tabela 1.

Tabela 1: Caractersticas de diferentes tecnologias CSPTecnologiaFaixa de capacidade indicada (MW)Taxa de concentraoEficincia solar-eltrica (%)rea requerida (m2/kW)*

Parablico10-20070-8010-1518

Fresnel10-20025-1009-11-

Torre10-150300-10008-1021

Disco0,001-0,41000-300016-1820

Dados: KALOGIROU (2009), *BEERBAUM E WEINREBE (2000).

2.3.1 Coletores cilndricos parablicos

Os coletores cilndricos parablicos so revestidos por um material refletor em formato parablico. Ao longo da linha de foco do refletor parablico colocado um tubo metlico preto, coberto por um tubo de vidro para evitar perdas de calor, denominado receptor (KALOGIROU, 2009).

Quando a parbola aponta para o sol, os raios diretos do sol so refletidos pela superfcie e concentrados no receptor. A radiao concentrada aquece o fluido que circula internamente no tubo. (KALOGIROU, 2009).

comum serem construdos com sistema de rastreamento de um eixo, podendo ser orientados no sentido Leste-Oeste com rastreamento do sol de norte a sul, ou no sentido norte-sul rastreando o sol de leste a oeste (KALOGIROU, 2009).

Os concentradores parablicos so a mais madura tecnologia solar de gerao de calor e permitem o aquecimento de fluidos a temperaturas de at 400C. A energia deste fluido pode ser usada para gerao eltrica ou para calor de processo (KALOGIROU, 2009).

2.3.2 Coletor Fresnel

Os coletores Fresnel tm duas variaes: o coletor Fresnel de lentes e o refletor linear Fresnel. O primeiro consiste de um material plstico transparente de modo a concentrar os raios a um receptor, enquanto o segundo formado por uma srie de tiras planas lineares de espelho (KALOGIROU, 2009).

O refletor linear Fresnel pode ter diferentes arranjos. Os espelhos podem ser alinhados como uma parbola. Outro arranjo possvel disposio das tiras de espelho no cho (ou em outro terreno plano) e a luz ser concentrada em um receptor linear montado em uma torre (KALOGIROU, 2009).

Uma desvantagem do refletor linear Fresnel o cuidado necessrio no projeto para evitar que um espelho cause sombra em outro, aumentando o tamanho da rea a ser ocupada pela planta (KALOGIROU, 2009).

Os modelos Fresnel no so ainda uma tecnologia madura e a maior parte das plantas existentes no mundo so plantas piloto, com algumas poucas plantas comerciais de baixa potncia (de 1 a 5 MW) em operao nos EUA e na Espanha (KALOGIROU, 2009).

2.3.3 Disco parablico

O disco parablico um concentrador de foco pontual. O disco rastreia o sol em dois eixos, e assim capaz de apontar diretamente para o sol desde o nascer at o poente (KALOGIROU, 2009).

Por possuir uma concentrao pontual e sistema de rastreamento em dois eixos, o disco parablico possui as maiores taxas de concentrao (600 a 2000) e por essa razo o coletor mais eficiente. Consequentemente, atinge temperaturas mais altas (de 100C a 1500C), atrs apenas da torre de concentrao (que pode atingir at 2000C) (KALOGIROU, 2009).

O disco pode operar de forma independente (indicado para uso em regies isoladas) ou como parte de uma planta composta por vrios discos (KALOGIROU, 2009).Os raios solares incidem sobre a parbola e so concentrados no ponto focal da parbola, onde aquecem o fluido circulante. Esse calor pode ser usado de duas maneiras (KALOGIROU, 2009): Ser transportado por tubulao para um sistema central; Ser transformado diretamente em eletricidade em um gerador acoplado diretamente no receptor (o mais comum que o gerador opere de acordo com o ciclo Stirling, apesar de existirem outras configuraes possveis). Por esta razo o Concentrador em disco tambm chamado de dish-stirling.

O segundo modelo o mais comum. Em geral mais interessante tanto tcnica (devido a perdas trmicas) quanto economicamente gerar eletricidade em cada disco, do que conduzir o calor de cada disco at um sistema de gerao central (KALOGIROU, 2009).

2.3.4 Torre central

Um campo de coletores de heliostatos composto de vrios espelhos planos (ou levemente cncavos), capazes de rastrear o sol em dois eixos, e que reflete os raios do sol na direo de um receptor central, instalado no alto de uma torre, sendo assim, esse tipo de planta conhecida como torre de concentrao (KALOGIROU, 2009).

Cada heliostato composto por quatro espelhos instalados no mesmo pilar, com rea refletora total de 50 a 150m (KALOGIROU, 2009).

O calor concentrado absorvido no receptor transferido para um fluido circulante que pode ser armazenado e/ou utilizado para produzir trabalho (KALOGIROU, 2009).

A torre de concentrao possui algumas vantagens (KALOGIROU, 2009): Os espelhos coletam a luz solar e a concentram em um nico receptor, minimizando assim o transporte de energia trmica; Assim como o concentrador em disco, por concentrar os raios solares em um nico receptor central e por rastrear o sol em dois eixos, possui altas taxas de concentrao, de 300 a 1500, menor apenas que o disco; Indicados para sistemas de maior porte (de 10 MW para cima).

5. ESTUDO DE CASO

Estimativa do fator de inclinao do feixe de radiao para uma superfcie localizada a 35 N, com uma inclinao de 45 do coletor, uma inclinao solar em relao Terra que corresponde = - 4,8 (A inclinao solar depende da estao do ano, do dia, do horrio e da localizao), com um ngulo do horrio solar igual a 30 (). Se o feixe de radiao de incidncia normal de 900 W/m2 (), estima-se o feixe de radiao sobre a superfcie inclinada como:

Ento;

6. ANLISE E DISCURSO FINAL

O aumento do uso de fontes de energias no renovveis pode provocar e j causam graves danos ao meio ambiente. A energia solar uma importante alternativa para a gerao de eletricidade que oferece vantagens ecolgicas e econmicas.

A quantidade de pases que esto investindo nesta tecnologia renovvel de gerao de energia cresce a cada dia, como o caso Estados Unidos e recentemente os Emirados rabes Unidos que construram a maior usina de concentrao solar do planeta com capacidade de gerar 100MW, os suficiente para atender 20 mil residncias1. Pases europeus com menos potencial de gerao que o Brasil, j a algum tempo investem nesta tecnologia.

Tendo em vista as vantagens ambientais e sociais que a implantao deste sistema proporcionaria ao pas, incentivos deveriam ser criados para que desenvolvimento e sustentabilidade caminhem juntos em favor da sociedade e do planeta.

7. CONCLUSO

Com realizao deste trabalho pode-se compreender o processo de gerao de energia eltrica por meio da concentrao de energia solar trmica. Obteve-se uma viso geral do processo, desde a fonte de radiao trmica at os coletores que concentram a radiao e a converte em calor, assim sendo absorvida por um fluido que conduzido a uma turbina para que se gere eletricidade.

Os conhecimentos adquiridos com a realizao deste podero ser de grande utilidade para concepo de projetos futuros, por se tratar de uma forma de gerao de energia renovvel, que ainda pouco aproveitada no Brasil, mas que possui previses de grandes investimentos nos prximos anos devido ao imenso potencial do pas.

REFERNCIAS

GOSWAMI, Y.; KREITH, F.; KREIDER, J. F. Principles of Solar Engineering. 2 ed. Philadelphia: Taylor & Francis. 1999. 697 p.

KALOGIROU, SOTERIS. Solar Energy Engineering: Processes and Systems. 1 ed. London: Elsevier Inc. 2009. 756 p.

DUFFIE, J. A.; BECKMAN, W. A. Solar Engineering of Thermal Processes. 2 ed. New York. 1980. 469 p.