Thermodynamic analysis of an organic rankine cycle integrated with latent heat storage harnessing solar thermal energy for power generation

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Turci, Daniel Rubano Barretto
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Palavras-chave em Português: Energia solar; Ciclo rankine orgânico; Sistema de armazenamento térmico de energia; Armazenamento de energia; Coletor solar; Solar energy; Organic rankine cycle; Thermal energy storage system
• Link de acesso: https://app.uff.br/riuff/handle/1/34634

Este trabalho tem como objetivo investigar o desempenho termodinâmico obtido pela integração de coletores solares com um sistema de armazenamento de energia térmica (TES) baseado em material de mudança de fase (PCM) e um ciclo Rankine orgânico (ORC) para geração de energia elétrica. Cálculos teóricos empregando modelos baseados na literatura para cada componente são realizados usando a plataforma Wolfram Mathematica®. As configurações de ciclo Rankine orgânico solar direto (DSOS) e de ciclo Rankine orgânico solar indireto (ISOS) são consideradas neste estudo. No arranjo DSOS, os coletores solares funcionam como evaporadores no ORC; e na configuração ISOS há a interposição de um trocador de calor entre o fluido de trabalho do ORC e os coletores solares. Apesar de sua arquitetura simples e melhor desempenho em comparação com o ISOS, a configuração DSOS é pouco utilizada em usinas de médio e grande porte, principalmente devido ao alto custo associado ao preenchimento de todo o sistema com um fluido orgânico. O refrigerante R-245fa é escolhido como fluido de trabalho para as configurações DSOS e ISOS, devido às suas propriedades termofísicas favoráveis e características ecológicas. Coletores do tipo tubo à vácuo (ETC) foram selecionados para captação da energia solar, contabilizando uma área total fixada em 212,4 m². Os modelos e métodos adotados são verificados e validados com dados teóricos e experimentais disponíveis na literatura para sistemas integrados similares. Os dados de irradiação solar utilizados são obtidos através do banco de dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) para a cidade de Niterói, Rio de Janeiro, Brasil. Métricas de desempenho, como geração líquida de energia, tempo de operação, energia armazenada e eficiência térmica, são analisadas para semanas típicas de verão e de inverno. O desempenho de ambos os sistemas propostos é analisado separadamente com e sem o sistema de armazenamento de calor latente, para verificar a viabilidade de seu uso e da metodologia adotada. O uso do PCM mostrou potencial para aumentar de 5 a 6 horas o tempo de operação do sistema durante a semana de verão, com uma potência praticamente constante, e a eficiência térmica do sistema foi estimada entre 3,1% e 5,6%, dependendo da configuração escolhida e das condições climáticas. Este estudo pretende abordar uma das principais limitações dos sistemas solares, ou seja, a intermitência da sua fonte, propondo a utilização do armazenamento térmico como forma de atacar a condição variável de energia por uma estratégia de produção de potência constante, estendida e previsível.