Analise termodinâmica de um ciclo Rankine orgânico integrado com um sistema de armazenamento de calor latente para aproveitamento de energia solar térmica para geração de eletricidade

1. ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UM CICLO RANKINE
ORGÂNICO INTEGRADO COM UM SISTEMA DE
ARMAZENAMENTO DE CALOR LATENTE PARA
APROVEITAMENTO DE ENERGIA SOLAR TÉRMICA PARA
GERAÇÃO DE ELETRICIDADE
Daniel Rubano Barretto Turci
15/03/2023
Orientador: Kleber Marques Lisboa
Agradecimentos:

2. 1 – Introdução
2 – Modelo e métodos
3 – Resultados e discussão
4 – Conclusão
2
Sumário

3. 1- Introdução
O Grande problema em aberto:
• Crescente aumento na demanda por eletricidade
• Possível escassez de recursos energéticos não renováveis
• Impacto ambiental
Garantia de um futuro limpo e sustentável
• Utilização de recursos renováveis e não poluentes
• Desenvolvimento/ aprimoramento de tecnologias
3

4. 1- Introdução
• Abundância
• Inesgotabilidade
• De fácil exploração
4
• Intermitência
• Armazenamento
• Custo
Energia Solar
Fonte: Action Sistema Fotovoltaico. Acessado em 08 de Março
de 2023. https://action.ind.br/sistema-fotovoltaico/
Fonte: Portal Energia. Acessado em 08 de Março de 2023.
https://www.portal-energia.com/preciso-painel-solar-termico-casa/

5. 1- Introdução
Solução proposta:
• TES PCM (ou Phase change material)
• Integrar à um ORC (Organic Rankine Cycle)
- Fontes de calor de baixa a média temperaturas (60 - 350°)
- Tecnologia madura
- Simplicidade, compacto, confiável, baixo custo, entre outros
• Coletores planos do tipo tubo à vácuo
- Relativamente eficiente
- Até 150°C, inércia térmica
- Simples (fixo, sem “tracking”), “Dry-connection”
- Baixo custo
- Comercialmente disponível 5

6. 1- Introdução
6
Solução proposta:
∴ PCM + ORC + Coletor  Geração de energia
• Configurações possíveis:
- Geração direta de vapor (DSOS)
- Geração indireta (ISOS)
• Poucas trabalhos focam na integração
Figura 2.11 - Configuração(ISOS) e

7. 1- Introdução
Objetivos da pesquisa
• Análise numérica da proposta de Integração  Mathematica
- Estudo dos modelos de radiação solar
- Estudos dos subsistemas e parâmetros
• Viabilidade e potencial para operar estável  ≠′
𝑠 cenários e configurações
- Discussão dos parâmetros globais
7

8. 2 – Modelo e métodos
Subtópicos:
2.1 - Radiação solar
2.2 - Coletor solar
2.3 - Trocador de calor
2.4 - ORC e HTF
2.5 - PCM
2.6 – Integração da configuração Direta (DSOS)
2.7 – Integração da configuração Indireta (ISOS)
8

9. 2 – Modelo e métodos
2.1 - Radiação solar:
• Base de dados do INMET (Niterói) - GHI
- Valores horários
- Semanas extremas (2020)
• 𝐼𝑇 quando apenas GHI é conhecido  Conversão
• Radiação direta e radiação difusa
- Radiação difusa: isotrópica, circumsolar, do horizonte
- Somando com radiação refletida  Modelo Anisotrópico (HDKR)
9
Figura 2.1 – Modelo anisotrópico

10. 2 – Modelo e métodos
2.1 - Radiação solar:
• Coletores fixos, voltados para o Norte geográfico
10
Tabela 3.1 - Parâmetros usados na simulação para irradiação em plano
inclinado

11. 2 – Modelo e métodos
2.2 - Coletor solar:
• Coletores de tubo a vácuo (ETC) do tipo heat pipe
• VITOSOL-300 TM (Viessman)
- 90 coletores, 212.4 m²
11
Figure 2.4 – Heat-pipe evacuated tube collector (ETC).
Adaptado de (DUFFIE, BECKMAN e BLAIR, 2020).
Table 3.2 – Parâmetros para a simulação dos collectores (TUV
RHEINLAND, 2013)

12. 2 – Modelo e métodos
2.2 - Coletor solar:
• ISOS
• DSOS
• Controle da vazão mássica
12

13. 2 – Modelo e métodos
2.3 - Trocador de calor:
• Configuração ISOS  evaporador
• Líquido saturado (𝑇𝑏 constante)
• Balanço de energia
13
Figura 3.1 – Modelo para o
evaporador.

14. 2 – Modelo e métodos
2.4 - ORC e HTF:
• Fluido de trabalho ORC: R245fa
• HTF para ISOS: Água pressurizada
14
Tabela 3.3 – Propriedades para o fluido de trabalho do ORC e
HTF.
Tabela 3.4 – Consumo da bomba de circulação
(HUNT e EASLEY, 2012).
Tabela 3.5 – Parâmetros fixados para o
ORC

15. 2 – Modelo e métodos
2.4 - ORC e HTF:
• Modelo matemático
- Energia fornecida pela caldeira (evaporador)
-Potência líquida e eficiência térmica
15
Figura 2.9 –ORC diagrama T-S
Figura 2.9 – Configuração
esquemática

16. 2 – Modelo e métodos
2.5 - PCM:
• ISOS x DSOS
16
Tabela 3.6 – Propriedades termofísicas dos PCM’s
considerados

17. 2 – Modelo e métodos
2.5 - PCM:
• Modelo matemático
17
Figura 2.8 – PCM em contato com um
fluxo não misturado.

18. 2 – Modelo e métodos
2.6 - Integração da configuração Direta (DSOS)
18
Figura 3.2 – Sistema DSOS sem PCM (a); Sistema DSOS com
PCM (b).
Figura 3.3 – Modos de operação para o
DSOS com PCM

19. 2 – Modelo e métodos
2.6 - Integração da configuração Direta (DSOS)
19
Tabela 3.7 – Condições de operação para o DSOS com
PCM

20. 2 – Modelo e métodos
2.6 - Integração da configuração Direta (DSOS)
20
Table 3.8 - Entry data for the analysis of the ORC
system.

21. 2 – Modelo e métodos
2.7 - Integração da configuração Indireta (ISOS)
21
Figura 3.4 – Sistema ISOS sem PCM (a); Sistema ISOS com PCM
(b).
Figura 3.3 – Modos de operação para o
ISOS com PCM

22. 2 – Modelo e métodos
2.7 - Integração da configuração Indireta (ISOS)
22
Figura 3.6 – ISOS flow
chart

23. 2 – Modelo e métodos
2.7 - Integração da configuração Indireta (ISOS)
23
Table 3.9 - ISOS with PCM operation mode
conditions

24. 2 – Modelo e métodos
2.7 - Integração da configuração Indireta (ISOS)
24
Tabela 3.10 – Parâmetros de projeto para o
ISOS

25. • 8 cenários
• Verificação e validação
25
3 – Resultados e discussão
Tabela 4.1 -Verificação com dados teóricos de um trabalho numérico sobre ORC
solar
Table 4.2 - Validação do ORC com dados experimentais

26. Radiação solar nos coletores
26
3 – Resultados e discussão
Figura 4.1 - Comparação da radiação solar entre as semanas típicas de inverno e
verão.

27. DSOS sem PCM
27
3 – Resultados e discussão
Figura 4.2 –Potência líquida e eficiência para o DSOS sem PCM durante uma semana típica de
verão
Figura 4.3 –Potência líquida e eficiência para o DSOS sem PCM durante uma semana típica de
• 8.3 kW
• 5.6%
• 4.2 kW média
(7 am as 6 pm)
• 355 kWh
• 7.4 kW
• 5.4%
• 2.7 kW média
(7 am as 6 pm)
• 216 kWh

28. 28
3 – Resultados e discussão
Figura 4.5 –Potência líquida energia no PCM para o DSOS com PCM durante uma semana típica
Figura 4.4 –Potência líquida e energia no PCM para o DSOS com PCM durante uma semana típica
de verão
DSOS com PCM
• Target 4kW
• Carreg. 10 am
• Descarreg. 4 pm
• 3h a mais oper.
(até as 8 pm)
• 316 kWh
• 193 kWh

29. 29
3 – Resultados e discussão
Figura 4.6 –Potência líquida e eficiência para o ISOS sem PCM durante uma semana típica de
verão
ISOS sem PCM
Figura 4.7 –Potência líquida e eficiência para o ISOS sem PCM durante uma semana típica de
inverno
• De 8 am as 5/6
pm
• 5,71 kW e 4,14%
• Pot. -9W
• 255 kWh
• Performance
inferior
• De 9 am as 4 pm
• 5,3 kW e 4%
• 156 kWh

30. 30
3 – Resultados e discussão
Figura 4.8 –Vazão mássica do HTF e irradiação para o ISOS sem PCM durante uma semana típica
de verão
ISOS sem PCM
Figura 4.9 –Vazão mássica do HTF e irradiação para o ISOS sem PCM durante uma semana típica de
inverno

31. 31
3 – Resultados e discussão
Figura 4.10 –Potência líquida e irradiação para o ISOS com PCM durante uma semana típica de verão
ISOS com PCM
Figura 4.11 –Potência líquida e irradiação para o ISOS com PCM durante uma semana típica de inverno
• Target 2.8 kW
• 16h oper.
• 5 a 6 h a mais
• Até as 11 pm
• 3,75 % eff.
• 255 kWh
• Carreg. 10 am e
descarreg. 4/5 pm
• 4 h a mais
• Até as 8 pm
• 3,1 % eff.
• 155 kWh
• Carreg. 10 am e
descarreg. 3/4 pm

32. 32
3 – Resultados e discussão
Figura 4.12 –Carga no PCM e irradiação para o ISOS com PCM durante uma semana típica de verão
ISOS com PCM
Figura 4.13 –Carga no PCM e irradiação para o ISOS com PCM durante uma semana típica de inverno

33. 33
3 – Resultados e discussão
Figura 4.14 –Vazão mássica no PCM e irradiação para o ISOS com PCM durante uma semana típica de
verão
ISOS com PCM
Figura 4.15 –Vazão mássica no PCM e irradiação para o ISOS com PCM durante uma semana típica de
inverno

34. 4 - Conclusão
• Analise progressiva
• Max. eficiência  5.6% e 4.14%
• Operação estável
 Verão: 5-6 horas a mais de operação (até as 23h)
 Inverno: 4 horas a mais de operação (até as 20h)
• Exemplo tarifa branca × tarifa convencional
• Comparação ISOS × DSOS
• Energia/ potência produzida × tamanho do sistema × aplicação
• Potencial para a questão da intermitência e outras aplicações
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35. O autor agradecem ao Programa de Recursos Humanos da Agência Nacional
do Petróleo (ANP-PRH, contrato nº51 processo: 046119), à Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e à Fundação
Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro
(FAPERJ) por apoiar este trabalho de pesquisa.
35
Agradecimentos

36. Bibliografia
36
DUFFIE, J. A.; BECKMAN, W. A.; BLAIR, N. Solar Engineering of ThermalcProcesses,
Photovoltaics and Wind. 5ª. ed. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc, 2020.
HUNT, A.; EASLEY, S. Measure Guideline: Replacing Single-Speed Pool Pumps with
Variable Speed Pumps for Energy Savings. U.S. Department of Energy – Energy Efficiency and
Renewable Energy. Wilmington, p. 32. 2012.
INMET. Banco de Dados Meteorológicos do INMET. Instituto Nacional de Meteorologia
(INMET), 2022. Disponivel em: https://bdmep.inmet.gov.br/.
TUV RHEINLAND. Summary of EN 12975 Test Result, annex to Solar Keymark
Certificate - Licence Number 011-7S2192 R. Allendorf. 2013.
TUVRHEINLAND. Licence Number 011-7S2192 R. Allendorf. 2013