Desenvolvimento e análise experimental de um concentrador solar Fresnel linear para geração direta de vapor

Abstract

A tecnologia heliotérmica se apresenta como opção promissora para conversão de energia solar em energia térmica para processos industriais ou geração de eletricidade. Os coletores concentradores do tipo Fresnel linear se mostram como uma opção interessante para geração de vapor saturado a temperaturas de até 200°C em sistemas de pequeno e médio porte devido principalmente à sua maior simplicidade e menores custos, quando comparado com outros sistemas de concentração solar, em especial ao cilindro parabólico. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento, construção e análise de um concentrador Fresnel linear com 60 m² que opera com geração direta de vapor saturado, capaz de operar a temperaturas de até 180°C. O absorvedor utilizado é do tipo cavidade trapezoidal multitubos, contendo seis tubos de 25,4 mm de diâmetro externo e 12 m de comprimento. O fluido escoa em série pelos tubos, entrando pelos tubos periféricos se encaminhando aos tubos centrais. Através de análises do tipo ray-tracing e variação de parâmetros determinou-se a geometria ideal do Fresnel. O sistema de rastreamento, com um único atuador para todas as linhas de espelhos, foi desenvolvido e analisado para identificar e quantificar suas fontes de incertezas. A incerteza máxima de 0,1° na determinação do ângulo de incidência transversal se mostrou adequada para o correto posicionamento dos espelhos. Testes de perdas térmicas sem radiação concentrada foram realizados com e sem a janela de vidro no absorvedor, com diferenças de temperatura entre o fluido e o ambiente de até 100°C. Foi observado um grande aumento nas perdas térmicas com a velocidade do vento no caso sem vidro. Para a diferença de temperatura de 40°C uma redução de 60% nas perdas térmicas é possível com o uso da janela de vidro. Um estudo analítico mostrou que o uso da temperatura do fluido, ao invés da temperatura da parede externa dos tubos, não introduz erros significativos na determinação das perdas térmicas, nas temperaturas analisadas. As perdas térmicas em condições reais de operação, com incidência de radiação concentrada no absorvedor, apresentaram os mesmos resultados do caso sem radiação concentrada. Nos testes de desempenho a eficiência óptica de pico foi determinada experimentalmente variando entre 0,62 e 0,53 com o absorvedor operando com e sem o vidro e com os espelhos limpos. Com os espelhos sujos a eficiência cai em até 10% em cada caso. Os modificadores pelos ângulos de incidência foram determinados com uma incerteza máxima de 11% e média de 3% com relação aos obtidos numericamente. Nos testes operando com geração direta de vapor foi possível analisar o Fresnel operando em conjunto com um separador de vapor. Nestes testes o Fresnel é alimentado com água líquida à temperatura próxima a de saturação na pressão correspondente. Em um teste com vazão volumétrica de 0,21 l/s, o que corresponde a uma velocidade mássica de 445 kg/m²s, foi possível gerar 86 kg de vapor saturado a 170°C de forma contínua e controlada. Para determinar a queda de pressão no escoamento bifásico a correlação de Friedel foi utilizada e apresentou boa concordância com os dados experimentais.

Abstract: Concentrated solar power technology presents itself as a promising option for the conversion of solar energy into thermal energy for industrial processes or electricity generation. Linear Fresnel concentrators are an interesting option for the generation of saturated steam at temperatures up to 200 ° C in small and medium-sized systems due mainly to their simplicity and lower costs when compared to other solar concentration systems, specially to the parabolic troughs. In this work the development, construction and analysis of a linear Fresnel concentrator with 60 m² operating with direct generation of saturated steam, capable of operating at temperatures of up to 180 ° C is presented. The absorber used is a multi-tube trapezoidal cavity type, containing six 25.4 mm outer diameter and 12 m long tubes. The fluid flows in series through the tubes, entering the peripheral tubes and going to the central tubes. Through ray-tracing analysis and variation of parameters, the Fresnel's ideal geometry was determined. The tracking system, with a single actuator for all mirror lines, was developed and analyzed to identify and quantify its sources of uncertainties. The maximum uncertainty of 0.1 ° in the determination of the transverse incidence angle was adequate for the correct positioning of the mirrors. Tests of thermal losses without concentrated radiation were performed with and without the glass window in the absorber, with temperature differences between the fluid and the environment up to 100°C. A large increase in thermal losses was observed with wind speed in the case without the glass. For the temperature difference of 40°C a reduction of 60% in thermal losses is possible with the use of the glass window. An analytical study showed that the use of the temperature of the fluid, instead of the external wall temperature of the tubes, does not introduces significant errors in the determination of the thermal losses in the temperature range analyzed. The thermal losses in real operation conditions, with incidence of concentrated radiation in the absorber, presented the same results of the case without concentrated radiation. In the performance tests the peak optical efficiency was determined experimentally ranging from 0.62 to 0.53 with the absorber operating with and without the glass and with clean mirrors. With dirty mirrors, the efficiency drops by up to 10% in each case. The incidence angle modifiers were determined with a maximum and mean difference of 11% and 3% with respect to those obtained numerically. In the tests operating with direct steam generation it was possible to analyze the Fresnel operating in conjunction with the steam separator. In these tests the Fresnel is fed with liquid water at the temperature close to saturation at the corresponding pressure. In a test with volumetric flow rate of 0.21 l / s, corresponding to a mass velocity of 445 kg / m², it was possible to generate 86 kg of saturated steam at 170 ° C continuously and controlled. To determine the pressure drop in the two phase flow the Friedel correlation was used and showed good agreement with the experimental data.