Search

A geração de calor representa uma parcela significativa da demanda energética industrial. Somado ao requerimento por baixas temperaturas e presença de recurso solar vantajoso no Brasil, há um potencial termossolar na indústria brasileira. Propõe-se determinar o desempenho térmico e financeiro de um sistema com coletores linear Fresnel para aquecimento de água. Os locais são adotados com base no critério de irradiação solar e presença da indústria de laticínios, sendo a demanda térmica obtida com base no processo de pasteurização do leite. O dimensionamento e parâmetros térmicos são obtidos com auxílio do software System Advisor Model (SAM). As métricas econômicas empregadas são Valor Presente Líquido (VPL) e Levelized Cost of Energy (LCOE). Por fim uma análise de sensibilidade financeira é realizada. Onze cidades brasileiras são escolhidas e a demanda térmica anual para o aquecimento de água é de 1437 MWh. O dimensionamento resultante é de 1.056 m² de área refletiva e 1.267,2 m² de terreno total. A análise térmica apresenta que a energia entregue ao sistema varia de 335 MWh (São Paulo) a 980 MWh (Ribeirão Preto). A avaliação econômica mostra sete cidades com resultado econômico positivo, nas quais o tempo de retorno é de 3 a 8 anos. Quanto ao LCOE, valores variam de R$ 0,19/kWh a R$ 0,54/kWh. A análise de sensibilidade mostrou maior impacto do preço da biomassa no VPL, e da área do campo solar no LCOE. Heat generation represents a significant portion of industrial energy demand. In addition to the requirement for low temperatures and the presence of an advantageous solar resource in Brazil, there is a thermo-solar potential in the Brazilian industry. It is proposed to determine the thermal and financial performance of a system with Fresnel linear collectors for water heating. The locations are adopted based on the criterion of solar irradiation and presence of the dairy industry, with the thermal demand being obtained based on the process of pasteurization of milk. The dimensioning and thermal parameters are obtained with the aid of the System Advisor Model (SAM) software. The economic metrics employed are Net Present Value (NPV) and Levelized Cost of Energy (LCOE). Finally, a financial sensitivity analysis is performed. Eleven Brazilian cities are chosen and the annual thermal demand for water heating is 1437 MWh. The resulting dimensioning is 1,056 m² of reflective area and 1,267.2 m² of total land. The thermal analysis shows that the energy delivered to the system varies from 335 MWh (São Paulo) to 980 MWh (Ribeirão Preto). The economic evaluation shows seven cities with positive economic results, in which the payback time is 3 to 8 years. As for the LCOE, values vary from R $ 0.19 / kWh to R $ 0.54 / kWh. The sensitivity analysis showed a greater impact of the biomass price in the NPV, and the solar field area in the LCOE.

O aquecimento de água ocupa um lugar importante na utilização da energia solar. O mercado mundial de coletores solares se multiplicou ano após ano. Os coletores de tubos evacuados, objeto de estudo neste trabalho, são equipamentos que trabalham através de tubos de vidro concêntricos com vácuo entre os dois, sendo o interno revestido com uma camada absorvedora. O vácuo reduz drasticamente as perdas por convecção e a superfície seletiva é responsável por absorver a radiação eletromagnética no espectro solar e por evitar perdas por radiação ao ambiente. Os coletores de tubos evacuados são fabricados em várias configurações. Entre elas estão a de contato direto (também conhecido como coletor de tubo preenchido ou water-in-glass) e as de contato indireto (tubo de calor ou heat-pipe). A primeira configuração é a mais simples que pode ser encontrada. Nela os tubos são preenchidos diretamente com o fluido de trabalho e aproveitam o mecanismo de termossifão para movimentar o fluido. Já o tipo heat-pipe usa um tubo de cobre com um fluido em seu interior. A troca de fase deste fluido transfere a energia para um pequeno condensador submerso no fluido de trabalho. Para a realização desta pesquisa, foi necessária a montagem e instrumentação de uma bancada de testes com dois coletores; um tipo heat-pipe e outro tipo water-in-glass. Os dois são montados em série a fim de garantir que a vazão de água fosse a mesma durante o experimento. Da mesma forma, os dois coletores são instalados no mesmo plano para que recebessem a mesma radiação. Para monitorar a quantidade de energia absorvida pelos coletores são instalados sensores de temperatura (PT 100) nas entradas e saídas dos coletores. Também são instalados sensores para medir a temperatura ambiente, temperatura da água no reservatório e para registrar a irradiância global incidente no plano dos coletores. Os resultados mostraram que o coletor heat-pipe apresenta um desempenho superior ao coletor water-in-glass em dias de céu limpo, produzindo até 20% a mais de energia em média. Por outro lado, o coletor de contato direto demonstrou comportar-se melhor em dias parcialmente nublados. Water heating plays an important role in the use of solar energy. The global market for solar collectors has multiplied over the years. Evacuated tube collectors, the object of study in this work, are equipment that employ concentrical glass tubes with vacuum between them. The inner tube is coated with a selective absorber layer. The vacuum reduces dramatically the convection losses and the selective surface absorbs electromagnetic radiation in the solar spectrum and minimizes radiation losses to the environment. Evacuated tube collectors are manufactured in various configurations. Direct contact collectors, also known as water-in-glass, present the simplest possible configuration. The tubes are filled directly with the working fluid, employing the thermosyphon mechanism to move the fluid. Other common configuration is the indirect contact or heat-pipe collectors, which uses a copper tube containing a phase changing fluid that evaporates and transfers energy to a condenser submersed in the work fluid. To perform this research it was necessary to assemble an instrumented bench consisting in two solar water collectors (one heat-pipe type and the other a water-in-glass type). Both were mounted in series in order to guarantee the same flow through them. They were also tilted at the same angle and pointed to the same direction so they receive equal radiation. The temperatures at the inlets and outlets of the collectors, the ambient air temperature and the water temperature inside the thermal tank were sensed by thermoresistors (PT100). The irradiance on the plane of the collectors was monitored with a thermal pyranometer. Tests were conducted to analyze the daily performance under diverse environmental conditions. The results indicated that, in clear days, the heat-pipe collector presented efficiencies up to 20% superior when compared to the water-in-glass collector. In the other hand, the water-in-glass collector performed better on days with intermittent sunny/cloudy intervals.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica - Energia Térmica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008