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Título: Modelagem transiente do armazenamento térmico em sistemas CSP
Autor(es): Araújo, Arthur Kleyton Azevedo de
Palavras-chave: Energias renováveis;Energia solar concentrada;Armazenamento térmico
Data do documento: 13-Mar-2017
Citação: ARAÚJO, Arthur Kleyton Azevedo de. Modelagem transiente do armazenamento térmico em sistemas CSP. 2017. 129f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2017.
Resumo: Among the renewable energies, concentrated solar power is capable of store energy in its thermal form, which is cheaper and has energy density higher if compared to the batteries of photovoltaic systems. This technology allows solar thermal plants to dispatch energy even when climatic conditions are unfavorable, such as in periods of cloudiness and after sunset. This work seeks, in a general way, to verify the solar potential of the brazilian Northeast region through a transient study of the heat losses of a sensitive heat storage system by two active-direct or indirect tanks in relation to environmental variables such as solar irradiation, ambient temperature and wind speed. In addition, the work also aims to verify the sensitivity of the system to its loading level and operating temperatures. The solar potential of the brazilian Northeast region was compared to the main world producers of heliothermic energy. The main storage thermal energy systems in operation in concentrated solar power plants were identified, besides the storage and insulation materials of the tanks. The transient analysis was performed by solving the diffusive terms of the differential equations resulting from energy balance and heat exchanges using the FDM in the implicit formulation for discretization of the system and the TDMA method for solving the equations. The sensitivity study of the system to the climatic conditions was conducted for two regions with distinct characteristics, South and Northeast. Experimental data of the Solar Two thermal storage system were used for validation of the model proposed by this work. The heat loss rates for the simulated validation model presented values of 97.36 kW for the fully charged hot tank and 46.12 kW for the fully charged cold tank, these values presented differences, related to experimental models, of 4.55% and 4.82%, respectively. The heat losses of the hot tank were higher for the region of São Martinho da Serra - RS, however the difference in storage efficiency between these two regions was less than 1.0 %. The heat losses were relatively sensitive to the tank loading level, with a difference of 37.35% between the fully charged and fully discharged tank. Operating temperatures were also quite influential on the thermal storage efficiency, being 10.78% for the tank at 300 C and 89.42% for the tank at 600 C. The model developed for this work presented results consistent with experimental measurements and with the physical phenomenon of storage. Finally, the tank showed little sensitivity to changes in climatic conditions, however it showed real sensitivity to the loading level and operating temperatures. The heat losses of a thermal storage system is function of several variables and understanding the influence of each parameter on the system is primordial for the advancement of the technology.
metadata.dc.description.resumo: Dentre as energias renováveis, a energia solar concentrada tem como diferencial a capacidade de armazenar energia na forma térmica, sendo esta mais barata e com densidade energética superior às das baterias de sistemas fotovoltaicos. Esta tecnologia permite que as plantas termossolares despachem energia mesmo quando as condições climáticas são desfavoráveis, como em períodos de nebulosidade e após o entardecer. Este trabalho busca, de forma geral, atestar o potencial solar da região Nordeste através de um estudo das perdas de calor, em modo transiente, de um sistema de armazenamento térmico por calor sensível de dois tanques ativo-direto ou indireto em relação às variáveis ambientais como irradiação solar, temperatura ambiente e velocidade do vento. Além disso, o trabalho também se propõe a verificar a sensibilidade do sistema ao seu nível de carregamento e temperaturas de operação. O potencial solar da região Nordeste foi comparado aos principais produtores mundiais de energia heliotérmica. Os principais sistemas de armazenamento de energia térmica em operação nas plantas de energia solar concentrada foram identificados, além dos materiais de armazenamento e de isolamento dos tanques. A análise transiente foi realizada resolvendo os termos difusivos das equações diferenciais resultantes do balanço energético e das trocas de calor utilizando o MDF na formulação implícita para discretização do sistema e o método TDMA para solução das equações. O estudo de sensibilidade do sistema às condições climáticas foi conduzido para duas regiões com características distintas, Sul e Nordeste. Dados experimentais do sistema de armazenamento térmico da planta termossolar Solar Two foram utilizados para validação do modelo proposto por este trabalho. As taxas de calor perdido para validação do modelo apresentaram valores de 97,36 kW para o tanque quente totalmente carregado e 46,12 kW para o tanque frio totalmente carregado, esses valores apresentaram diferenças, em relação a modelos experimentais, de 4,55% e 4,82%, respectivamente. As perdas de calor do tanque quente foram superiores para a região Sul, entretanto a diferença da eficiência de armazenamento entre as regiões foi inferior a 1,0%. As perdas de calor se mostraram relativamente sensíveis ao nível de carregamento do tanque, tendo apresentado uma diferença de 37,35% entre o tanque carregado e descarregado. As temperaturas de operação também se mostraram bastante influentes na eficiência do armazenamento térmico, sendo de 10,78% para o tanque a 300 C e 89,42% para o tanque a 600 C. O modelo desenvolvido para este trabalho apresentou resultados condizentes com medições experimentais e com o fenômeno físico do armazenamento. Por fim, o tanque se mostrou pouco sensível às mudanças das condições climáticas, entretanto demonstrou real sensibilidade ao nível de carregamento e temperatura de operação. As perdas de calor de um sistema de armazenamento térmico são funções de diversas variáveis e compreender a influência de cada parâmetro no sistema é primordial para o avanço da tecnologia.
URI: http://hdl.handle.net/123456789/23095
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