Dimensionamento e simulação de um sistema de energia solar com concentrador parabólico e motor stirling

Abstract

Dentre as medidas para refrear o aquecimento global é indispensável a ampliação do uso de fontes renováveis para geração de energia elétrica. A geração solar térmica, ou heliotérmica, é uma alternativa de geração renovável com potencial crescente para integrar a matriz elétrica de locais com as condições geoclimáticas adequadas. Os sistemas de concentrador parabólico do tipo Dish Stirling (DS) são os sistemas heliotérmicos com o maior rendimento. Estes sistemas, entretanto, ainda não são comercialmente atrativos principalmente devido ao seu alto custo de produção e baixa confiabilidade. Por isso, o desenvolvimento de métodos mais eficientes de projeto de sistemas DS é uma importante medida para torná-los uma alternativa viável para a geração renovável de energia elétrica. Portanto, neste trabalho é proposta uma abordagem simples para o dimensionamento e simulação dos sistemas DS com base na demanda energética do motor Stirling e na estimação da oferta de energia solar para o sistema DS. Para se avaliar o melhor modelo para simular e determinar o consumo de energia de um motor Stirling, os modelos isotérmico ideal de Schmidt, adiabático ideal, e Simple, são comparados através da simulação do motor Stirling GPU-3 e contrastados com dados experimentais. Para determinar a energia solar disponível utiliza-se um modelo de estimação da radiação solar direta normal (DNI - Direct Normal Irradiance) baseado no fator de turbidez atmosférica Linke. Este modelo é testado para três cidades brasileiras: Salvador, Marília, e Porto Alegre. Os resultados da estimação da DNI são comparados com dados de medição do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). Os dados obtidos com esses modelos são aplicados no dimensionamento e projeto de um sistema DS. A simulação do motor Stirling com o modelo Simple, modelo com melhor aderência aos dados experimentais dentre os avaliados, apresentou valores elevados para os desvios médios na estimação da potência gerada, mas um desvio de apenas 4% para a potência consumida pelo motor. A estimação DNI apresentou desvios entre cerca de 10 e 40% para a média dos valores máximos diários quando comparada aos dados de medição, sendo Salvador a cidade com o menor desvio. Para Salvador este desvio na estimação da DNI implicou em uma variação de apenas 1,5% no diâmetro do concentrador projetado, quando comparado a um concentrador projetado utilizando-se valores medidos da radiação solar disponível, e um desvio de 3% na estimação da energia elétrica total gerada em um ano. Aplicando-se o método de simulação proposto o sistema DS projetado para Salvador apresentou uma eficiência de aproximadamente 37%, valor superior ao dos sistemas reais apresentados na literatura. Isto pode ser atribuído principalmente a grande discrepância nos resultados da simulação do motor Stirling com o modelo utilizado dada sua abordagem simplificada. Contudo, o método de dimensionamento do sistema DS proposto se mostra bem-sucedido e aplicável para uma sondagem inicial das dimensões de um sistema DS. Faz-se necessária, porém, a aplicação de um modelo mais precisos para a estimação da DNI, na ausência de dados de medição, e, em especial, um modelo mais preciso para a simulação do motor Stirling, a fim de se obter resultados mais realistas e confiáveis com a simulação do sistema DS.

Among the measures to deaccelerate global warming the application of renewable sources to generate electrical power is indispensable. Concentrating Solar Thermal Power (CSP) generation is an alternative with a growing potential that can complement the electrical grid at places with proper geoclimatic conditions. Dish Stirling (DS) parabolic concentrator systems are the most efficient CSP systems. These systems, however, are not yet commercially attractive mainly due to their high cost of production and low reliability. Thus, the development of more efficient design methods for DS systems is an important measure to make them a viable alternative for renewable electricity generation. Therefore, in this work a simple method to design and simulate DS systems based on the Stirling engine energy demand and the solar energy availability for the DS system is proposed. In order to detemine the best model to simulate and estimate the energy demand of a Stirling engine the ideal isothermal Schmidt model, the ideal adiabatic model, and the Simple model are compared through the simulation of the GPU-3 Stirling engine and contrasted with experimental data. In order to determine solar energy availability, a model of estimation of the Direct Normal Irradiance (DNI) based on the Linke atmospheric turbidity factor is used. This model is tested for three Brazilian cities: Salvador, Marília and Porto Alegre. Its results are compared to measured data from the National Meteorology Institute (INMET - Instituto Nacional de Meteorologia). The data obtained through these models are applied to the sizing and design of the DS system. The simulation of the Stirling engine with the Simple model, the model with the closest results to the experimental data among the ones analyzed, presented a high mean value of deviations for the estimation of the generated power, but a deviation of only around 4% for the power consumption of the engine. The DNI estimation had deviations between around 10 and 40% for the mean of the daily maxima when compared to the measured data, Salvador was the city with lowest deviation. For Salvador this deviation on the DNI resulted in only a 1,5% variation in the designed concentrator diameter when compared to a concentrator diameter designed using measured data, and a 3% variation in the estimation of the total annual electric energy generation. Applying the simulation method proposed the designed DS system for the city of Salvador had an efficiency of around 37%, a value higher than of real systems presented in literature. This can be mainly attributed to the large discrepancy in the Stirling engine simulation results with the selected model due to its simplified approach. However, the design method of DS systems proposed in this work is successful and applicable for initial assessments of the DS system dimensions. Nonetheless, it is necessary the application of a more accurate model for DNI estimation, in the absence of measured data, and especially a more accurate model for the Stirling engine simulation in order to obtain more realistic and reliable results for the DS system simulation.