Uma análise de ciclos de potência operando com CO2 supercrítico e concentradores solares

Abstract

O presente trabalho propõe-se a analisar ciclos de potência com CO2supercrítico e concentradores cilindro-parabólicos, a fim de determinaras melhores configurações e condições operacionais para estes sistemas, oseu comportamento transiente quando em modo de aquecimento diretoe a dinâmica temporal do mesmo quando houver um sistema de backupincorporado. As análises são conduzidas baseando-se em parâmetros termodinâmicosclássicos, como eficiência e potência produzida, os quais, nesteestudo, são quantificados em função da área de coletor utilizada. Nestecontexto, diferentes configurações de ciclos e o campo de coletores forammodelados e simulados em regime permanente, o-design e transiente. Osresultados iniciais determinaram a existência de uma curva de transiçãopara escolha dos ciclos Brayton ou Rankine, como também condições operacionaisque resultam em um desempenho máximo nos ciclos Brayton,tornando evidente as vantagens das configurações com recompressão ereaquecimento. Posteriormente, a análise transiente revelou que as escalasde tempo características do sistema é da ordem de centésimos de segundos,constatando-se que, mesmo sem um backup, oscilações instantâneas nairradiação podem ser amenizadas pelos termos capacitivos do campo decoletores. Por fim, considerando-se a incorporação do sistema de backup,o qual é composto por um aquecedor auxiliar e um armazenador de calorde duplo-tanque, quantificaram-se as frações de energia fornecidas peloaquecedor auxiliar, campo de coletores e armazenador de calor, necessáriasao longo do tempo para atender à diferentes condições de demanda prédefinidas.Conclui-se assim que a escolha da melhor configuração dependedas condições operacionais do sistema, que a capacitância térmica do campode coletores é amortiza a propagação de pequenas oscilações da irradiaçãosolar e que a incorporação de um sistema de backup oferece um ganho deflexibilidade no qual a fração solar ou a eficiência global do sistema podemser priorizadas em função das condições de demanda.

Abstract : The present work analyzes the behavior of solar-trough poweredplants operating with CO2, aiming to determine the best configurationsand operational conditions for these systems. In addition, their transientbehavior in direct heating mode and the temporal dynamics consideringa backup system are also investigated. The analyzes are based on classicalthermodynamic parameters, such as efficiency and power produced, which,in this study, are quantified considering the collector s area. In this context,different cycle configurations and the collector field were modeled andsimulated in a steady-state, off-design and unsteady-state mode. The resultsinitially determined the existence of a transition curve for selecting eitherBrayton or Rankine cycles, as well as operating conditions that result inmaximum performance for the former, which clearly showed the advantagesof recompression and reheating stages. Subsequently, the transientanalysis revealed that the time scales of these systems is on the order ofa few hundred seconds, suggesting that, even without a backup, instantaneousirradiation oscillations can be mitigated by the capacitive termsof the collectors field. Finally, considering the incorporation of a backupsystem, which is composed of an auxiliary heater and a double storage tank,the energy fractions supplied by the auxiliary heater, the collectors andthe thermal storage, which are required over time to meet the differentpre-defined demand, are discussed. Thus, it is concluded that selecting thebest configuration depends on the operating conditions, that the thermalcapacitance of the collector is capable to instantaneously amortize the propagationof small solar irradiation oscillations and that the thermal backupoffers flexibility to the power plant, such that the solar fraction or the overallefficiency of the system can be prioritized as a function of the demandconditions.