Dimensionamento e simulação de um sistema de energia solar com concentrador parabólico e motor stirling - Santos, Eduardo Libório Piedade da Silva (2019)
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.