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7/23/2019 PME 5235 Aula 9 Coletores Concentradores
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Fundamentos de Engenharia Solar
Coletores concentradores
Pro f. Dr. Racine T. A . Prado
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Coletores Concentradores
Fundamentos de Engenharia Solar
os principais coletores concentradores podem ser
classificados como a seguir:
Coletor de Calha Parablica (PTC);
Refletor Linear de Fresnel (LFR);
Prato Parablico;
Torre Central.
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Fundamentos de Engenharia Solar
Coletor de Calha Parablica
Coletores Concentradores
RefletorLinear de
Fresnel
Coletor dePrato
Parablico
Torre central
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Classificao dos sistemas solares de
acordo com as temperaturas Baixa - at 100 C;
Mdia - at 400 C;
Elevada - acima de 400 C.
Fundamentos de Engenharia Solar
Reddy et al, 2013
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Coletores concentradores - terminologia
Fundamentos de Engenharia Solar
Coletor: sistema completo, incluindo receptor e
concentrador;
Receptor: componente do sistema onde a radiao
direta absorvida e convertida em outra forma de
energia (inclui absorvedor pp.,coberturas associadas e
isolamento);
Concentrador ou sistema tico: parte do coletor
que dirige a radiao direta para o absorvedor;
abertura do concentrador: entrada da radiao.
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Concentrao
Fundamentos de Engenharia Solar
Rendimento do sistema
com as abreviaes significando: Sistema
tico Receptor Transporte Armazenamento converso
=
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Coletores Concentradores - paradoxo
Fundamentos de Engenharia Solar
a eficincia do coletor diminui com o aumento
da temperatura de operao;
a eficincia da mquina trmica aumenta com
sua temperatura de operao.
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Coletores Concentradores
Fundamentos de Engenharia Solar
a radiao oticamente concentrada antes de ser
transformada em calor;
a concentrao pode ser obtida por reflexo ou
refrao da radiao solar por meio de espelhos ou
lentes;
a radiao refletida ou refratada concentrada em
uma zona focal, aumentando o fluxo de energia no alvo.
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Concentrao tica
Fundamentos de Engenharia Solar
onde:
Gr: irradiao na superfcie do receptor;G: irradiao incidente.
Lovegrove, 2012
=
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Concentrao geomtrica
Fundamentos de Engenharia Solar
onde:
Acrea de abertura do coletor;
Ar: rea de abertura do receptor.
=
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Concentrao geomtrica
Fundamentos de Engenharia Solar
= sin
= 0,27 4, 7
Meio ngulo subtendido pela radiao solar:
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Concentrao
Fundamentos de Engenharia Solar
Coletores circulares (tridimensionais):
Coletores lineares (bidimensionais):
Cmax= 45.000
Cmax= 212
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Concentrao
Fundamentos de Engenharia Solar
Reflexo em cones de raios
Lovegrove, 2012
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Concentrao
Fundamentos de Engenharia Solar
Calha parablica com refletor perfeito
Lovegrove, 2012
=
4
=/2
=
4/2
4 /2
Distncia focal:
rr
= 21 +
=
4
2
Raio de borda:
ngulo de borda:
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Concentrao
Fundamentos de Engenharia Solar
Refletor parablico perfeito em alvo plano
Lovegrove, 2012
ngulo de
aceitao
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ngulo de aceitao em PTC
Fundamentos de Engenharia Solar
Kalogirou
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Concentraes mximas
Fundamentos de Engenharia Solar
Derivada da concentrao em relao a Rpara acalha parablica :
Lovegrove, 2012
=0 =0, 45, 90
Com mximo em R= 45, ngulo de aceitao s= 4,65
mrad, resulta em Cg108 com receptor plano.
Para calha e receptor cilndrico, Cg68,5.
Para o prato parablico, mximo R= 45, com receptor
plano ou cilndrico, Cg11.600.
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Concentrao
Fundamentos de Engenharia Solar
Otimizao do receptor
Lovegrove, 2012
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Concentrao
Fundamentos de Engenharia Solar
Lovegrove, 2012
Refletor parablico perfeito em alvo de seo
transversal circular
d = 2
=
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Concentrao
Fundamentos de Engenharia Solar
Trajetria da radiao difusa ou erro de rastreamento
Barakos, 2006
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Fundamentos de Engenharia Solar
Distribuio da radiao no focoConcentrao
Lovegrove, 2012
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Fatores prticos redutores da concentrao
: desvio padro
Fundamentos de Engenharia Solar
esp: erro de especularidade, (em quanto os raios refletidos seguema lei da reflexo, i= r), funo de propriedades microscpicas dasuperfcie.
sup: erro de ondulao da superfcie, como desvio das normais superfcie das direes ideais. Erros de 4 mrad so encontrados emsuperfcies precisas, sendo 5 mrad usual.
for: erro de forma, sendo o concentrador construdo por partes,estas podem ter orientao incorreta, devida expanso trmica,carga de vento ou liberao de tenses residuais.
ras:erro de rastreamento, com o concentrador no apontandodiretamente para o sol
Lovegrove, 2012
= 2
+ 2
+ 2 +
2
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Coletores compostos e concentradores
Fundamentos de Engenharia Solar
Duffie; Beckman
Absorvedor tubular comrefletor posterior difuso
Absorvedor tubular comcspides refletoras especulares
Absorvedor planocom refletores planos
Concentrador parablico Refletor de Fresnel (ourefrator)
Fileira de heliostatoscom receptor central
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Coletores Parablicos Compostos (CPC)
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diferentes absorvedores
Kalogirou
com refletor involuto
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Coletores Parablicos Compostos (CPC)
Fundamentos de Engenharia Solar
os lineares so mais
prticos;absorvedores de forma
variada;
orientao do eixo aolongo N-S ou L-O;
estacionrios ou
rastreadores.
Trecho
parablico
Trecho circular
Usual// coberto
Kalogirou
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Concentrao e Temperatura do receptor
Fundamentos de Engenharia Solar
Duffie; Beckman
Perdas trmicas =energia absorvida
Eficincia decoleta entre40 e 60%
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Coletor de Tubo Evacuado (ETC)
Fundamentos de Engenharia Solar
princpio de supresso da
conveco;
eficincia mais elevada com
pequenos ngulos de
incidncia;
desenvolvimento de ciclo de
evaporao-condensao do
fluido de trabalho (p.ex.,
metanol). Kalogirou
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Tubo evacuado Sistema linear concentrador
Fundamentos de Engenharia Solar
tubo absorvedor cilndrico (receptor);
concentrador linear.
Schottsolar25 comprimento 150 m
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Sistemas Solares Trmicos de Potncia
Fundamentos de Engenharia Solar
Esquema bsico
IEA, 2011
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Fundamentos de Engenharia Solar
Ciclos
Turbinas a vaporRankine
Orgnico de Rankine (ORC)
Turbinas a gs - Brayton
Motor de Stirling
Sistemas Solares Trmicos de Potncia
Lovegrove, 2012
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Sistemas Solares Trmicos de Potncia
Fundamentos de Engenharia Solar
Kalogirou
Esquema hbrido solar e GN
Ciclos combinados de Rankine e Brayton
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Fundamentos de Engenharia Solar
Mtodos de gerao
Sistemas Solares de Potncia
Reddy et al. 2013
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Fundamentos de Engenharia Solar
Ciclo Rankine
Turbinas a vapor comgerao mais recomendada
de 250 MWe, presso
acima de 10MPa etemperatura at 700 C.
Sistemas Solares Trmicos de Potncia
Rino, G
Lovegrove, 2012
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Fundamentos de Engenharia Solar
Ciclo Orgnico de Rankine (ORC)
Sistemas pequenosalguns MWe; O&M elevados;
Adequado para baixas temperaturas;
Cloreto de metila, tolueno, R-11, R-113 eR-114.
Sistemas Solares Trmicos de Potncia
Lovegrove, 2012
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Fundamentos de Engenharia Solar
Turbinas a gs - ciclo Brayton
Fluido de trabalho: ar,hidrocarbonetos, combustvel de
avio, Diesel, GLP, biogs.
Temperaturas antes daexpanso da ordem de 1000 C.
Elevada eficincia: > 50%.
Sistemas Solares Trmicos de Potncia
Lovegrove, 2012
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Gerao de energia eltrica com motor de
Stirling
Fundamentos de Engenharia Solar
wikipedia
Consiste em cmaras em diferentes temperaturas que
aquecem e arrefecem um gs de forma alternada,
provocando expanses e contraes cclicas, o que faz
movimentar mbolos ligados a um eixo comum. Fluidos
de trabalho: hidrognio, hlio e ar.
?
http://www.youtube.com/watch?v=gB-OwTMzXhc&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=gB-OwTMzXhc&feature=related7/23/2019 PME 5235 Aula 9 Coletores Concentradores
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Fundamentos de Engenharia Solar
Motor de Stirling pequenas aplicaes
dezenas de kWe
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Sistemas Solares Trmicos de Potncia
Fundamentos de Engenharia Solar
Kalogirou
Desempenho de Sistemas Solares Concentradores
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Coletor de CalhaParablica (PTC)
Fraunhofer
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Solar Energy Generating System (SEGS)
Fundamentos de Engenharia Solar
Anos 1980: instalados nove sistemas parablicos no
sul da Califrnia;
potncias instaladas entre 14 MWe e 80 MWe,
totalizando 354 MWe;
sistemas hbridos, com auxlio de gs natural;
Custos da energia entre US$ 90 e US$ 280 por
MWh;
substituio de espelhos de vidro por folhas
circulares de filme lstico aluminizado. CERPCH
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Solar Energy Generating System (SEGS)
Fundamentos de Engenharia Solar
googlemaps
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Solar Energy Generating System (SEGS)
Fundamentos de Engenharia Solar
Detalhes
Kalogirou
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Solar Energy Generating System (SEGS)
Fundamentos de Engenharia Solar
Wikipedi
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Solar Energy Generating System (SEGS)
Fundamentos de Engenharia Solar
espelhos parablicos;
reflectncia, = 94% (para espelhos simples, = 70%);espelhos so rastreadores ao longo do dia (eixo N-S);
a causa de rompimento dos vidros o vento;
substituio de 3.000 vidros/ano;
operadores podem acionar protetores durante ventanias;
h mecanismo de lavagem automtica dos vidros.
Wikipedi
Detalhes
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Fundamentos de Engenharia Solar
Shottsolar
Nevada, 64 MWe
Coletor de Calha Parablica (PTC)
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Torresol Energy
Plantas Valle 1 y Valle 2:
50 MWe de potncia cada uma;
campo solar de 510.000 m2de colectores;
sistema de armazenamento de calor com sais fundidos
que, permite fornecer energia eltrica at 7 horas na
ausncia de radiaco solar.
Fundamentos de Engenharia Solar
Coletor de Calha Parablica (PTC)
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Mo a, 2012
Parmetros de projeto do coletor Eurotrough-150
Fundamentos de Engenharia Solar
Coletor de Calha Parablica (PTC)
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Fundamentos de Engenharia Solar
tecnologia mais consolidada de coletores trmicos
para produo de energia eltrica;
maior planta a Solar Electric Generating System
encontra-se na Califrnia, com 354 MWe instalados;
em segundo lugar, est a Plataforma Solar de Almeria,
com 1,2 MWe;
superfcie refletivas podem ser obtidas com vidro
refletivo ou material adesivo (vida til de 5 - 7 anos).
Coletor de Calha Parablica (PTC)
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Coletor Concentrador Rastreador Solar
Fundamentos de Engenharia Solar
dispositivo tico entre a fonte de radiao e
a superfcie absorvedora;
fluido de trabalho a temperaturas mais elevadas do que o
do coletor plano;
eficincia trmica mais elevada;
rea do receptor menor em relao rea de coleta dos
FPC, viabilizando economicamente o tratamento de
superfcie e vcuo;
exigncia de rastreamento torna-o mais complexo.
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Coletor com refletores adicionais
Teste comparativo
Fundamentos de Engenharia Solar
Fraunhofer
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Fundamentos de Engenharia Solar
atinge temperaturas entre 50 e 400 C;
o princpio de fabricao a conformao de uma
superfcie refletiva forma parablica;o eixo pode ser orientado N-S rastreando o sol L-O, ou
vice-versa;
Kalogirou
Coletor de Calha Parablica (PTC)
horizontal N-S coletamais radiao no vero
e menos no inverno e o
contrrio para L-O.
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Coletores concentradores rastreamento solar
Fundamentos de Engenharia Solar
Coletor de um eixo
Osman
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Fundamentos de Engenharia Solar
modos controle de rastreamento:
mecanismos que empregam motores controladoseletronicamente por calendrio;
mecanismos que empregam motores controlados
por computador com malha de controle fechadoalimentada por sensores de radiao solar.
Coletor de Calha Parablica (PTC)
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Coletores concentradores rastreamento solar
Fundamentos de Engenharia Solar
Sensor LDR (Light Dependent Resistor) -
resistor cuja resistncia varia conforme a
intensidade de radiao eletromagntica do
espectro visvel que incide sobre o mesmo.Material: sulfeto de cdmio (CdS) ou seleneto de cdmio (CdSe).
Wikipedia
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Coletores concentradores rastreamento solar
Fundamentos de Engenharia Solar
De um eixo horizontal
Sun Flower Energy
AttributesSpecifications
Surface Area 215 s.f.;Tracking Axis Single AxisAutomatic Tracking (East -West);
Maximum Angle 40-degreein both directions; Drive Design (Actuators)DC 24V ;4.5 mm/sec ;Wind load resistance 90
mph;Wind Protection optional;array automatically stows at 0at pre-programmed wind speed;Control Method calendar &timer (open-loop);
Weight 770 lbs.
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Coletores concentradores rastreamento solar
Fundamentos de Engenharia Solar
De dois eixos
Sun Flower Energy
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Coletores concentradores rastreamento solar
Fundamentos de Engenharia Solar
Detalhes de componentes
Sun Flower Energy
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Fundamentos de Engenharia Solar
Schottsolar
Coletor de Calha Parablica (PTC)
25 comprimento 150 m
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Detalhes tcnicos do receptor
Fundamentos de Engenharia Solar
preciso tica dos espelhos;
vidros do receptor de elevada transmitncia (borosilicato,
p.ex.) e baixa reflectncia;
superfcie do absorvedor de elevada absortncia e baixa
emitncia no IV 300400 C .
Schottsolar
Tubo receptor
Cobertura devidro
d d h i l
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Detalhes tcnicos do receptor
Fundamentos de Engenharia Solar
Absortncia e emitncia
Fernandes, Guaronghi
Tipo de material da
camada de tratamento da
superfcie
Absortncia
Solar
Emitncia
Solar
Fator de
Desempenho
/Tungstnio denttrico
0,96
0,26
3,7
Silcio sobre Prata
0,76
0,06 (773 K)
12
Nquel Negro
0,90
0,08 (573 K)
11
Cromo Negro
0,98
0,19 (573 K)
5,1
Cromo Negro sobre
nquel prateado
0,93
0,19 (573 K)
4,8
ZrNy sobre prata
0,85
0,03 (600 K)
24
F d d E h i S l
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CC desempenho trmico
Fundamentos de Engenharia Solar
Coeficiente de perda de calor por conveco e radiao
na superfcie do receptor e por conduo na estruturade suporte
F d t d E h i S l
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Fundamentos de Engenharia Solar
Coeficiente de conveco, hw:
Para fluxo de ar cruzado com tubo em ambiente
externo, segundo McAdams apud Duffie; Beckman:
CC desempenho trmico vRe
*v
F d t d E h i S l
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Fundamentos de Engenharia Solar
Coeficiente de radiao:
onde:
: constante de StefanBoltzmann, = 5,6697 * 10-8
W/m2* K4;
: emissividade para a superfcie absorvedora;
T: temperatura mdia para radiao (K).
CC desempenho trmico
F d t d E h i S l
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Fundamentos de Engenharia Solar
Coeficiente de radiao do tubo de cobertura para o
ambiente, hr:
CC desempenho trmico
F d t d E h i S l
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Fundamentos de Engenharia Solar
Coeficiente de radiao entre o tubo receptor
(absorvedor) e o tubo de cobertura, hr, c - a:
CC
desempenho trmico
, =
+ +
1
+
1
+
1
F d t d E h i S l
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Fundamentos de Engenharia Solar
No h transferncia por conveco entre o tubo
receptor e o tubo de cobertura atravs do espao
evacuado. Assim, o Coeficiente Global ser:
CC
desempenho trmico
hw
hr, c-a
hr, r-c
F d t d E h i S l
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Fundamentos de Engenharia Solar
Com a estimativa de UL, verifica-se a temperatura da
cobertura, estimada de 50 C:
que fornece um valor de Tcse for necessria mais uma
iterao.
CC
desempenho trmico
Fundamentos de Engenharia Solar
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Sistema linear concentrador desempenho trmico
Fundamentos de Engenharia Solar
considerando gradientes de temperatura no receptor,o desenvolvimento semelhante ao de coletores
planos, mas com geometria particular;
a resistncia de transferncia de calor da superfcieexterna do tubo receptor para o fluido no tubo interno
deve considerar a parede do tubo.
Fundamentos de Engenharia Solar
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Fundamentos de Engenharia Solar
onde:U0: transmitncia trmica baseada baseada no dimetro
externo do tubo receptor;
Die Do: dimetros interno e externo do tubo receptor;hfi : coeficiente de transferncia de calor para dentro do
tubo;
k: condutibilidade do material do tubo.
Sistema linear concentrador desempenho trmico
Fundamentos de Engenharia Solar
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71/99
Fundamentos de Engenharia Solar
Ganho til de Energia por unidade de comprimento,
expresso em termos da temperatura do receptor e do ar
ambiente
Sistema linear concentrador desempenho trmico
Fundamentos de Engenharia Solar
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72/99
Fundamentos de Engenharia Solar
Sistema linear concentrador desempenho trmico
Ganho til de Energia por unidade de comprimento,
expresso em termos da temperatura do receptor e dofluido.
Fundamentos de Engenharia Solar
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Fundamentos de Engenharia Solar
eliminando Tr
Sistema linear concentrador desempenho trmico
onde F o Fator de eficincia do coletor.
Recordando, F, num local especfico, representa a relao entre o
ganho de energia real e o ganho de energia que resultaria se o receptor
estivesse mesma temperatura do fluido local.
Fundamentos de Engenharia Solar
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74/99
Fundamentos de Engenharia Solar
Sistema linear concentrador desempenho trmico
Fundamentos de Engenharia Solar
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75/99
Fundamentos de Engenharia Solar
de onde vem o ganho til de calor do coletor :
Sistema linear concentrador desempenho trmico
sendo FRo Fator de Remoo de calor do coletor.
Recordando, FR um fator que relaciona o ganho de energia til real de
um coletor com o ganho til se toda a superfcie do coletor estivesse
temperatura de entrada do fluido.
Fundamentos de Engenharia Solar
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Fundamentos de Engenharia Solar
Fator de vazo do coletor, F
Sistema linear concentrador desempenho trmico
O Fator de vazo do coletor funo unicamente da
taxa de capacitncia do coletor:
Fundamentos de Engenharia Solar
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77/99
Fundamentos de Engenharia Solar
Temperatura de sada do fluido (To)
onde:
Ti: Temperatura do fluido na sada do coletor (C);
Qu: ganho til de calor do coletor (W);
m: vazo de fluido no coletor (kg/s);
Cp: calor especfico do fluido de trabalho (kJ/kg C).
= +
Fundamentos de Engenharia Solar
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Fundamentos de Engenharia Solar
A energia absorvida por unidade de rea da abertura
no sombreada do coletor, S, dada por:
CC desempenho tico
onde:
: fator de interceptao, definido como a frao da radiao refletida que incide
na superfcie de absoro do receptor;
: transmitncia da cobertura do receptor;
: absortncia do absorvedor para a radiao refletida e transmitida;
K: modificador do ngulo de incidncia (considera desvios da radiao
incidente na abertura em relao normal). Mais detalhes: Duffie;Beckman,
cap.7.
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Fresnel
Refletor Linear de Fresnel (LFR)
Mills, 2012
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As fileiras de tiras lineares de espelhos concentram
a radiao em um receptor linear.
Refletor Linear de Fresnel (LFR)
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Fundamentos de Engenharia Solar
a) Lentes polimricas focam
os raios solares em umreceptor pontual;
b) Tiras de espelhos
lineares concentram aluz em receptor linear ou
em torre.
Kalogirou
Lentes e Refletores de Fresnel
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Abbas et al, 2013
Fresnel - caractersticas:
refletores rotacionam para rastrear o sol;
atinge concentrao de 35 sis na faixa central do
receptor.
Refletor Linear de Fresnel (LFR)
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absorvedor fixo;
refletores planos ou elasticamente curvados;
problema com sombreamento.
Kalogirou
Refletor Linear de Fresnel (LFR)
Receptor com face para baixo
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Kalogirou
Espaamento e orientao para reduzir sombreamento
Refletor Linear de Fresnel (LFR)
Mills
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Detalhes
Refletor Linear de Fresnel (LFR)
Mills, 2012
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Receptor de tubo nico
Refletor Linear de Fresnel (LFR)
Mills, 2012
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Mills, 2012
Receptor com vrios tubos
Refletor Linear de Fresnel (LFR)
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Consiste em coletor com foco em um ponto, onde se
encontra o receptor, com rastreamento solar em dois
eixos.
Kalogirou
Refletor de Prato Parablico (PDR)
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Fundamentos de Engenharia Solar
atinge temperaturas acima de
1500 C;
o tipo de coletor mais eficiente;
possui concentrao entre 600 e
2000, sendo adequado para
absoro de energia trmica e
gerao de potncia;
Apud Costa, Fbio S
Refletor de Prato Parablico (PDR)
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Inovaes tecnolgicas
The receiver consists of a multi junction PV coupled to heat exchanger that converts
concentrated solar flux into electrical power (A) and thermal power (B).
(A) DC electrical power from the PV cells is converted to AC power
and fed to the grid.
(B) Thermal energy is pumped through a closed loop system to the
various users and applications
Combined Heat and Power (CHP) generation; combined efficiency of >72%
Z20 features two 11m2collectors, mounted on adual axis tracker thatconcentrates incoming
solar power onto areceiver.
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Inovaes tecnolgicas
Featuring
2 axis high precision tracking mechanism with zero backlash,
using performance feedback-driven, closed loop that continually
positions the mirrors for maximum effectiveness
State-of-the-art high efficiency Multi-Junction PV cells Engineered high efficiency multi-channel
heat exchanger
Designed for 20 year service, constructed from highly durable
materials
Environmentally friendly, 99% recyclable by weight
Reliable operation, easy installation and servicing
Required minimal area, only 70-90m2 for a single Z20 unit,
15.5kWp combined output (
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Inovaes tecnolgicas: Zenithsolar Z20
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Inovaes tecnolgicas: Zenithsolar Z20
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Torre central
g
Torresol Energy
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Gemasolar - Espanha
O sistema de converso de potncia consiste de umgerador de vapor e turbina, com acessrios, queconvertem energia trmica em eletricidade e alimentam arede.
g
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g
Princpio: emprega
segmentos de espelhos
levemente cncavos nosheliostatos para direcionar
grandes quantidades de
energia para cavidade deum gerador de vapor, em
altas presso e
temperatura. Kalogirou
Torre central
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g
coletam energia solar oticamente, minimizando o
transporte de energia;
atingem concentraes entre 300 e 1500 e so muito
eficientes, tanto na coleta como na converso da
energia em eletricidade;
podem armazenar energia;
so muito grandes (acima de 10 MW), beneficiando-se
da economia de escala.
Torre central - vantagens
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Torre central - armazenamento
g
K
Kalogirou
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Torre central parmetros geomtricos e ticos
de parque de heliostatos (Jodhpur e Delhi)
g
50 Mwe steam
power plant
Rankine cycle