Análise da Transferência de Calor em Concentrador Solar do ...
CONSTRUÇÃO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO COM ...
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CONSTRUÇÃO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO COM RASTREAMENTO AUTOMATIZADO PARA MAXIMIZAR A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA Angela Monteiro Brito Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Processos – Mestrado Profissional, PPGEP/ITEC, da Universidade Federal do Pará, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestra em Engenharia de Processos. Orientador: Edinaldo José de Sousa Cunha Belém Julho de 2018
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CONSTRUÇÃO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO COM
RASTREAMENTO AUTOMATIZADO PARA MAXIMIZAR A EFICIÊNCIA
ENERGÉTICA
Angela Monteiro Brito
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de Processos –
Mestrado Profissional, PPGEP/ITEC, da
Universidade Federal do Pará, como parte dos
requisitos necessários à obtenção do título de Mestra
em Engenharia de Processos.
Orientador: Edinaldo José de Sousa Cunha
Belém
Julho de 2018
CONSTRUÇÃO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABÓLICO COM
RASTREAMENTO AUTOMATIZADO PARA MAXIMIZAR A EFICIÊNCIA
ENERGÉTICA
Angela Monteiro Brito
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE
PÓSGRADUAÇÃO EM ENGENHARIA PROCESSOS – MESTRADO
PROFISSIONAL (PPGEP/ITEC) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ COMO
PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
MESTRE EM ENGENHARIA DE PROCESSOS.
Examinada por:
_______________________________________________
Prof. Edinaldo José de Sousa Cunha, D.Eng.
(PPGEP/ITEC/UFPA - Orientador)
________________________________________________
Prof. Deibson Silva da Costa, D.Eng.
(FEMat/CAMPANAIN/UFPA - Membro)
_______________________________________________
Prof. Jean da Silva Rodrigues, Dr.
(PPGEMAT/IFPA – Membro)
________________________________________________
Profª. Raimunda Figueiredo da Silva Maia, Dra.
(PRODENA/ITEC/UFPA - Membro)
BELÉM, PA - BRASIL
JULHO DE 2018
Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP)
Sistema de Bibliotecas da UFPA
Brito, Angela Monteiro, 1963-
Construção de concentrador solar parabólico com
rastreamento automatizado para maximizar a eficiência
energética / Angela monteiro Brito — 2018.
Orientador: Edinaldo José de Sousa Cunha
Dissertação (Mestrado Profissional) – Universidade
Federal do Pará. Instituto de Tecnologia. Programa de Pós-
Graduação em Engenharia de Processos, 2018
1. Energia Solar. 2. Concentrador. 3. Controle de
posição I. Título
CDD 621.042
iv
Dedico este trabalho a minha família,
amigos e a todos aqueles que
contribuíram para sua realização.
v
AGRADECIMENTOS
A meu Deus, que me deu condições intelectuais e físicas para concluir este
trabalho e conquistar esse título.
Agradeço a minha família pelo apoio e por suportar a minha ausência ao longo
do curso, em especial ao meu marido que sempre esteve ao meu lado em todos os
momentos: bons e difíceis.
Ao meu orientador, pelo acompanhamento durante as pesquisas experimentais e
pela assistência na elaboração desta dissertação.
Aos professores do PPGEP.
Agradeço também a todos os amigos que torceram pelo sucesso de meu trabalho,
em especial os que trabalharam diretamente comigo; Reginaldo, Paulo Wallace, Miguel
Alexandre, André.
vi
“A mente que se abre a uma nova ideia jamais
voltará ao tamanho original.”
(Albert Einstein)
vii
Resumo da Dissertação apresentada ao PPGEP/UFPA como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Processos (M. Eng.)
CONSTRUÇÃO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABOLICO COM
RASTREAMENTO AUTOMATIZADO PARA MAXIMIZAR A EFICIÊNCIA
ENERGÉTICA
Angela Monteiro Brito
Julho/2018
Orientador: Edinaldo José de Sousa Cunha
Área de Concentração: Engenharia de Processos
Um concentrador solar cilíndrico parabólico incrementado com rastreamento
automatizado em um único eixo é apresentado para aquecer água a ser aplicada na
técnica do branqueamento do açaí. Este sistema utiliza a radiação solar direta e a
concentra em um ponto focal transformando-a em energia térmica. Diante do exposto,
um sistema de geração de energia térmica utilizando a radiação solar direta concentrada
em calha parabólica para o aquecimento de água e controlando-se a vazão gerar vapor,
será construído com materiais reciclados, o protótipo tem como principal característica
o sistema de rastreamento automatizado através de um micro controlador, com entradas
digitais onde estão conectados sensores do tipo LDR (resistor dependente de luz) e na
saída um atuador de um único eixo e com um grau de liberdade para mover o sistema no
sentido Leste-Oeste, o rastreador foi implementado e testado para seu desempenho em
tempo real. O programa que é transferido para o controlador, desenvolvido em
linguagem Ladder e faz o controle em malha fechada, baseado no sinal de saída que é
comparado ao set point e a resposta para corrigir o erro de posição, o que fez com que a
calha parabólica esteja sempre apontada para o sol num ângulo de 90º, ângulo ideal para
que a calha receba a máxima irradiação direta do sol. O controlador corrigiu o erro de
regime em tempo real, o sistema esta sempre posicionado no ângulo de máxima
irradiância que pode ser observada com os resultados apresentados a partir da Análise
viii
de dados coletados do sistema operando em modo: rastreamento manual e
automatizado, outro fator que demostra a eficiência do concentrador é a taxa de
concentração, que é a razão entre a área da abertura da calha, isto é, área que recebe a
radiação direta e área de absorção, protótipo apresentou uma taxa no valor de 14, este é
um parâmetro que afeta inversamente proporcional à eficiência térmica do
concentrador, isto é, o balanço energético, mas este resultado está dentro dos limites de
rastreamento em um único eixo. A máxima eficiência energética foi 127,81 ºC para o
rastreamento manual e 131,70 ºC para o rastreamento automatizado. Desta forma, a
implementação do método de rastreamento automatizado em um único eixo, a partir da
análise dos resultados, comprova a contribuição do trabalho se comparados a métodos
de rastreamento manual.
ix
Abstract of Dissertation presented to PPGEP/UFPA as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master in Process Engineering (M. Eng.)
CONSTRUCTION OF PARABOLIC SOLAR CONCENTRATOR WITH
AUTOMATIC TRACKING TO MAXIMIZE ENERGY EFFICIENCY
Angela Monteiro Brito
July/2018
Advisor: Edinaldo José de Sousa Cunha
Research Area: Process Engineering
An enhanced parabolic cylindrical solar concentrator with automated tracking on a
single axis is presented to heat water to be applied in the açaí bleaching technique. This
system uses the direct solar radiation and concentrates it in a focal point transforming it
into thermal energy. In view of the above, a system of thermal energy generation using
the direct solar radiation concentrated in parabolic trough for the heating of water and
controlling the flow generate steam, will be constructed with recycled materials, the
prototype has as main characteristic the tracking system automated through a micro
controller, with digital inputs where LDR (light dependent resistor) type sensors are
connected and at the output a single axis actuator and with a degree of freedom to move
the system in an East-West direction, the tracker was implemented and tested for real-
time performance. The program that is transferred to the controller, developed in Ladder
language and does the closed-loop control, based on the output signal that is compared
to the set point and the response to correct the position error, which caused the parabolic
trough is always pointed at the sun at a 90º angle, ideal angle so that the trough receives
the maximum direct irradiation from the sun. The controller corrected the real-time
regime error, the system is always positioned at the maximum irradiance angle that can
be observed with the results presented from the analysis of data collected from the
system operating in mode: manual and automated tracking, another factor that
demonstrates the efficiency of the concentrator is the concentration rate, which is the
ratio between the area of the gutter opening, that is, area receiving the direct radiation
x
and absorption area, prototype showed a rate in the value of 14, this is a parameter
which affects inversely proportional to the thermal efficiency of the concentrator, ie the
energy balance, but this result is within the limits of tracking on a single axis. The
maximum energy efficiency was 127.81 ºC for manual tracing and 131.70 ºC for
automated tracing. Thus, the implementation of the automated tracking method on a
single axis, based on the analysis of the results, proves the contribution of the work
compared to manual tracking methods.
xi
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO.......................................................................... 1
1.1 - MOTIVAÇÃO................................................................................................ 1
1.2 - OBJETIVOS................................................................................................... 4
1.2.1 - Objetivo geral............................................................................................. 4
1.2.2 - Objetivos específicos.................................................................................. 4
1.3 - CONTRIBUIÇÕES DA DISSERTAÇÃO..................................................... 4
1.4 - ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO.............................................................. 5
CAPÍTULO 2 - REVISÃO DA LITERATURA................................................. 6
2.1 - REFERENCIAL TEORICO........................................................................... 6
2.2 - RADIAÇÃO SOLAR..................................................................................... 7
2.3 - CONCENTRADORES TERMOSSOLARES................................................ 11
2.3.1 - Concentradores Solar Parabólicos........................................................... 11
2.4 - CARACTERÍSTICAS DO CONCENTRADOR PARABÓLICO................. 12
2.4.1 - Definição de parábola................................................................................ 12
2.4.2 - Distância focal............................................................................................ 13
2.4.3 - Fator geométrico........................................................................................ 14
2.4.4 - Cálculo da abertura do coletor................................................................. 14
2.4.5 - Ângulo do arco de incidência solar........................................................... 15
2.4.6 - Seleção do diâmetro do tubo absorvedor................................................. 16
2.4.7 - Desempenho óptico do coletor.................................................................. 17
2.4.8 - Desempenho térmico do coletor................................................................ 17
2.4.9 - Eficiência instantânea do coletor.............................................................. 18
2.4.10 - Sistema de rastreamento......................................................................... 19
2.4.11 - Automação do rastreamento................................................................... 21
2.4.12 - Controle de posição.................................................................................. 22
CAPÍTULO 3 - MATERIAIS E MÉTODOS..................................................... 23
3.1 - MATERIAIS................................................................................................... 23
3.2 - METODOLOGIA EXPERIMENTAL........................................................... 24
3.2.1 - Dimensões do Protótipo............................................................................. 24
3.2.2 - Sistema de rastreamento solar.................................................................. 31
3.2.3 - Sistema de controle.................................................................................... 35
xii
3.2.4 - Testes do absorvedor sem carga e com rastreamento manual............... 40
3.2.5 - Testes do absorvedor com carga e com rastreamento manual.............. 41
3.2.6 - Testes do absorvedor com carga e com rastreamento automático........ 43
CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................... 45
4.1 - ANÁLISE DO SISTEMA DE RASTREAMENTO MANUAL.................... 45
4.1.1 - Análise térmica do absorvedor sem cobertura e carga........................... 45
4.1.2 - Análise térmica do absorvedor com cobertura....................................... 49
4.2 - ANÁLISE DO SISTEMA DE RASTREAMENTO AUTOMÁTICO........... 52
4.2.1 - Análise térmica do absorvedor................................................................. 52
4.2.2 - Análise da influência do rastreamento automático na temperatura do
fluido....................................................................................................................... 55
CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES E SUGESTÕES.............................................. 61
5.1 - CONCLUSÕES.............................................................................................. 61
5.2 - SUGESTÕES.................................................................................................. 62
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................ 63
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 A geometria sol – terra................................................................. 8
Figura 2.2 Processos de interação da radiação solar..................................... 9
Figura 2.3 Mapa de isolinhas de radiação solar no Brasil............................. 10
Figura 2.4 Concentrador cilíndrico parabólico.............................................. 11
Figura 2.5 Exemplos de algumas parábolas.................................................. 12
Figura 2.6 Gabarito construído em compensado........................................... 13
Figura 2.7 Ângulos notáveis em solarimetria................................................ 15
Figura 2.8 Sistema de coordenadas cilíndricas.............................................. 16
Figura 2.9 Exemplo de tubos de cobre.......................................................... 16
Figura 2.10 Posicionamentos do sistema para seguir o movimento diário de
rotação da terra............................................................................. 20
Figura 2.11 Micro Controlador Programável CLIC-02................................... 21
Figura 2.12 Exemplo de controle em malha fechada...................................... 22
Figura 3.1 Diagrama de blocos da metodologia............................................ 23
Figura 3.2 Cálculo e formato da parábola do concentrador.......................... 25
Figura 3.3 Perfil da parábola em papel milimetrado..................................... 26
Figura 3.4 Gabarito em compensado para construção da estrutura............... 26
Figura 3.5 Montagem da estrutura de ancoragem......................................... 27
Figura 3.6 Calha montada para receber as lâminas....................................... 27
Figura 3.7 Fixação das lâminas de alumínio................................................. 28
Figura 3.8 Lâminas sem o filme protetor...................................................... 28
Figura 3.9 Posição do tubo na linha focal..................................................... 29
Figura 3.10 Tubo absorvedor posicionado na linha focal............................... 30
Figura 3.11 Tubo absorvedor revestido com tubo de vidro............................. 30
Figura 3.12 Instalação do primeiro motor....................................................... 31
Figura 3.13 Sistema de redução....................................................................... 32
Figura 3.14 Placa eletrônica da Ponte “H”...................................................... 33
Figura 3.15 Diagrama do circuito da Ponte H................................................. 33
Figura 3.16 Caminho percorrido pela corrente................................................ 34
Figura 3.17 Posição da fixação dos sensores................................................... 34
Figura 3.18 Sensores fixados na lateral da calha............................................. 35
xiv
Figura 3.19 Diagrana de blocos da malha fechada.......................................... 36
Figura 3.20 Trecho da programação em linguagem Ladder............................ 37
Figura 3.21 Calha com sistema de rastreamento............................................. 39
Figura 3.22 Diagrama de blocos do procedimento.......................................... 39
Figura 3.23 Tubulação de saída com tratamento térmico................................ 40
Figura 3.24 Exemplo de verificação de temperatura....................................... 41
Figura 3.25 Absorvedor com sifão e registro.................................................. 42
Figura 3.26 Método manual de travamento..................................................... 42
Figura 3.27 Método manual deslizante de travamento da calha...................... 43
Figura 3.28 Imagem do termômetro digital..................................................... 44
Figura 4.1 Ensaio do concentrador................................................................ 46
Figura 4.2 Comportamento da temperatura ao longo do tempo.................... 47
Figura 4.3 Variâncias da temperatura ao longo do tempo............................. 49
Figura 4.4 Absorvedor pintado e recoberto com tubo de vidro..................... 49
Figura 4.5 Influência da cobertura do tubo absorvedor................................. 51
Figura 4.6 Comportamento da temperatura................................................... 52
Figura 4.7 Concentrador com o rastreamento automatizado instalado......... 53
Figura 4.8 Comportamento da temperatura com rastreamento automático
do coletor...................................................................................... 54
Figura 4.9 Comparação do sistema manual e automático de rastreamento... 55
Figura 4.10 Concentrador de calha parabólica................................................ 56
Figura 4.11 Comparação dos resultados de sistemas automatizados.............. 57
Figura 4.12 Influência da degradação no sistema............................................ 59
xv
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Dados de radiação solar diária.................................................... 10
Tabela 2.2 Classificação dos coletores solares por graus de rastreamento... 20
Tabela 3.1 Dimensões do concentrador de Calha Parabólica....................... 25
Tabela 4.1 Resultados do teste do concentrador operando sem carga.......... 46
Tabela 4.2 Resultados do teste do concentrador operando sem carga.......... 48
Tabela 4.3 Resultados do teste do concentrador com cobertura de vidro e
com carga.................................................................................... 50
Tabela 4.4 Comparativo de ensaios dos concentradores com carga e
rastreamento manual................................................................... 51
Tabela 4.5 Resultados do teste do concentrador operando com carga.......... 53
Tabela 4.6 Dimensões do concentrador solar............................................... 56
Tabela 4.7 Comparativo de ensaios dos concentradores com rastreamento
automático................................................................................... 57
Tabela 4.8 Influencia da degradação nos resultados obtidos........................ 58
xvi
NOMENCLATURA
ANVISA AGENCIA NACIOANL DE VIGILÂNCIA SANITÁRIA
CPTEC CENTRO DE PREVISÃO DE TEMPO E ESTUDOS CLIMATICOS
CP CONTROLADOR PROGRAMÁVEL
CRESESB CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA
SÉRGIO DE SALVO BRITO
GEDAE GRUPO DE ESTUDOS E DESENVOLVIMENTO DE
ALTERNATIVAS ENÉRGÉTICAS
GLP GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO
LABREN LABORATÓRIO DE MODELAGEM E ESTUDO DE RECUROS
RENOVAVEIS DE ENERGIA
NEMA NATIONAL ELECTRICAL MANUFACTURERS ASSOCIATION
NERL NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY
SEGS SOLAR ELECTRIC GENERATION SYSTEMS
SIN SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 - MOTIVAÇÃO
A necessidade de aquecimento da água a uma temperatura adequada, que
possibilitasse a técnica de branqueamento do açaí, preparando o fruto para o
beneficiamento, a partir do aproveitamento da energia solar, surgiu para diminuir os
custos com energia elétrica e o gás GLP (Gás Liquefeito de Petróleo) usados no
processo de aquecimento da água.
A utilização da energia solar térmica pela humanidade já se faz presente em
períodos bastante remotos. KALOGIROU (2009), cita um dos primeiros registros
embora não comprovados, que Arquimedes (282 a 212 aC), com um sistema composto
24 espelhos que concentravam os raios solares em um único ponto focal, teria ele usado
esta invenção para queimar a frota marítima romana na Baía de Syracuse, atualmente
pertencente à Itália. Este fato foi descrito pelo do matemático polonês Vitelio em seu
livro Optics Vitelio.
De acordo com KROTH (2016), com o advento da revolução industrial, a
humanidade passou a demandar cada vez mais o uso de energia elétrica em face da
busca por conforto, atualmente este consumo é baseado na utilização de produtos
elétricos, eletrônicos e eletroeletrônicos. Ainda segundo KROTH (2016) essa energia
elétrica, obtida principalmente a partir da queima de combustíveis fosseis, gerou por
consequência um aumento considerável na concentração de dióxido de carbono (CO2)
na atmosfera, provocando os inconvenientes do efeito estufa, além de acarretar a
degradação dos recursos naturais. Portanto, a consciencialização da importância da
utilização das energias renováveis, para complementar a energia oriunda da queima de
combustíveis fósseis, se faz necessária, através de uma mudança de atitude compatível
com o desenvolvimento sustentável.
O consumo de energia elétrica é uma das atividades mais essenciais para a vida
moderna, causa e consequência do desenvolvimento das sociedades e da indústria, em
se tratando da região amazônica a dificuldade é ainda maior devido sua extensão
territorial, baixa densidade demográfica, inúmeras áreas alagadas e floresta compacta
(LASCIO e BARRETO, 2009).
2
Acrescentando-se a este cenário a crise do petróleo que teve início na década de
1970, quando se percebeu que esse recurso natural não é renovável a curto e médio
prazo, seu valor de mercado sofre até os dias atuais variações frequentes (KROTH,
2016). Diante a estes fatores, os incentivos ao uso de fontes alternativas de energia
principalmente a solar começaram a ganhar cada vez mais evidencia nas pesquisas para
o desenvolvimento de projetos de concentradores solares pelo mundo.
Atualmente, já existe um acervo técnico cientifico no sentido de alimentar o
desenvolvimento de concentradores pelo mundo. JETER (1986) desenvolveu o cálculo
da distribuição da densidade do fluxo concentrado e no ano seguinte, através de
experimentos, determinou o desempenho ótico de concentradores parabólicos através de
uma formulação analítica semifinita, para facilitar a modelagem numérica eficiente do
fluxo radiante, concentrado na superfície receptora do concentrador parabólico. Além
do acervo técnico, já contamos com tecnologias para utilização da energia solar em
equipamentos como: coletores planos, sacadores solar, fogões solares entre outros.
Além dos experimentos, alguns métodos de simulação de concentradores foram
desenvolvidos para facilitar o trabalho dos pesquisadores, dentre eles o MCRT - Método
Monte Carlo Ray-Trace, que é um simulador computacional usado para obter a
distribuição heterogênea da transferência de calor no interior do tubo. Esse método foi
usado por HE et al., (2010) para comparar os resultados experimentais de suas
pesquisas com o simulador, e após Análise dos resultados, confirmaram a eficiência do
mesmo.
Por tanto, a partir das pesquisas realizadas confirma-se que a utilização da
energia solar por meio de concentradores é uma realidade concreta e promissora.
Segundo MALAGUETA (2012) os países EUA e Espanha, são referências na utilização
da energia solar térmica de alta potência. Os Estados Unidos possuem as Plantas SEGS
(Solar Electric Generation Systems) na Califórnia gerando 353MW (SEGS LS-2, 1994)
e a Espanha conta com diversos campos; a usina na Almería gera 0,5MW (SOUZA
FILHO, 2008) e entre Sevilha e Córdoba a Usina Gemasolar, com 2.650 painéis solares
de 120 metros quadrados cada, gera 11 MW.
O Brasil, sendo um país tropical apresentando elevada incidência de radiação
solar, tem grande potencial para desenvolvimento de tecnologias capaz de transformar
energia solar em energia térmica (TIBA e FRAIDENRAICH, 2000). Como contribuição
para o desenvolvimento de projetos no setor, o Rio Grande do Norte, onde os valores da
irradiância solar são favoráveis para projetos termossolares, na UFNR (Universidade
3
Federal do Rio Grande do Norte) há um laboratório onde são desenvolvidas pesquisas
para utilização de coletores solares na produção de vapor e energia elétrica (SOUZA
FILHO, 2008). No Pará a UFPA (Universidade Federal do Pará) possui o laboratório
GEDAE (Grupo de Estudos e de Alternativas Energéticas), responsável por vários
projetos já implantados e pesquisas buscando cada vez mais a melhoria e a eficiência na
utilização da irradiância solar, aplicadas em placas fotovoltaicas para geração de energia
elétrica.
Como contribuição às pesquisas, o Atlas Solarimétrico do Brasil fornecem os
dados dos recursos solares (irradiância) no território brasileiro enquanto que, o Atlas
Brasileiro de Energia Solar, apresentam análises sobre os níveis de confiança, da
variabilidade espacial e temporal do recurso solar, tais contribuições são referenciais
básicos importantes para o desenvolvimento de novas pesquisas na área. De acordo
com PEREIRA et al. (2017) a avaliação do potencial de recursos de energia solar em
uma determinada região é importante; pois envolve três componentes básico para o
desenvolvimento de projetos termossolares, que são: a distribuição espacial, a
variabilidade temporal e as incertezas envolvendo as duas variáveis.
Para PEREIRA et al. (2017) a componente distribuição espacial é um parâmetro
importante a ser observado para a viabilidade técnica do potencial energético de uma
dada região, por tanto, para obter um melhor aproveitamento da irradiância os coletores
solares devem seguir o sol em seu movimento diário aparente ao longo do céu.
Para se obter o rastreamento segundo KALOGIROU (2013), dois métodos
podem ser utilizados, um é o método altazimute no qual exige que a estrutura de
sustentação e mobilidade da calha, gire tanto na altitude como também o ângulo
azimutal; o segundo modelo é o rastreamento somente no eixo, onde esta localizada a
linha focal, neste método a estrutura rastreia o sol em uma única direção, de leste a oeste
ou de norte a sul.
Portanto, sabendo que o sol é uma fonte inesgotável de energia e que a energia
térmica, também chamada heliotérmica, resulta da conversão da radiação solar, sua
utilização com tecnologias apropriadas; o concentrador solar poderá ser um instrumento
importante, usado como alternativa energética promissora, diante a demanda crescente
por energia e quiçá, enfrentar os desafios deste milênio.
Diante do exposto, o presente trabalho apresenta como contribuição à pesquisa
experimental em busca de alternativas energéticas, a construção de um concentrador
solar de calha parabólica com rastreamento automático, para aquecimento de água a ser
4
utilizada em processos térmicos, susceptível à produção de vapor. Tendo como
característica particular na sua construção a utilização de materiais reciclados como
sucata de alumínio e como principal contribuição o rastreamento solar automatizado,
através de um microcontrolador embarcado, sensores e atuadores, para controlar em
malha fechada o posicionamento da calha no ponto de maior incidência solar.
O rastreamento automatizado do concentrador solar tem como objetivo
maximizar a captação da radiação direta solar poderá também o concentrador contribuir
com a efetiva utilização do sistema, na diversificação da matriz energética brasileira.
1.2 - OBJETIVOS
1.2.1 - Objetivo geral
Este trabalho tem por objetivo geral desenvolver um sistema de de rastreamento
solar automatizado, para um concentrador de calha parabólica, afim de aquecer água a
ser utilizada no processo de branqueamento de açaí.
1.2.2 - Objetivos específicos
Dimensionar a geometria para construção do protótipo;
Incrementar o rastreamento automatizado no protótipo através de
microcontrolador;
Comparar os resultados de concentradores similares já existentes com
concentradores automatizados e comprovar a melhoria da eficiência energética.
1.3 - CONTRIBUIÇÕES DA DISSERTAÇÃO
O aproveitamento da energia solar a partir de concentradores solares já é
realidade em alguns países como Estados Unidos, Espanha, Israel entre outros, pois se
trata de uma tecnologia bem desenvolvida (SOUZA FILHO, 2008).
Neste sentido, a contribuição do presente trabalho à pesquisa experimental, será
automatização do rastreamento de concentradores de calha parabólica e seu controle em
malha fechada por meio de micro controlador, visando maximizar a eficiência
energética do sistema.
5
1.4 - ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O capítulo 1 através da introdução apresenta-se uma breve descrição do trabalho:
a motivação, os objetivos, as contribuições da dissertação e a forma de organização do
trabalho.
O capítulo 2 compreende a revisão da literatura e o referencial teórico, no campo
da energia solar e dos concentradores parabólicos, que será o embasamento teórico
necessário para o desenvolvimento do projeto de construção do protótipo e o
rastreamento automatizado.
O capítulo 3 apresenta os materiais e a metodologia experimental empregada na
construção do coletor solar com rastreamento e seus detalhes de construção.
O capítulo 4 demostra os resultados obtidos no procedimento experimental, a
partir dos dados coletados e apresentados nos gráficos e tabelas.
No capítulo 5 são apresentadas as conclusões a partir das Análises dos resultados
e sugestões para pesquisas futuras.
6
CAPÍTULO 2
REVISÃO DA LITERATURA
Este capítulo compreende o referencial teórico e a revisão bibliográfica;
abordam os conceitos e cálculos fundamentais para construção da calha parabólica,
eficiências e o rastreamento automatizado.
2.1 - REFERENCIAL TEORICO
JETER (1986) desenvolveu o cálculo de densidade de fluxo concentrado
utilizável em coletores solares, proporcionando vantagem conceitual e de eficiência,
para ser aplicada em programas computacionais, no qual foram considerados para os
cálculos a geometria do tubo, pois sua sombra na superfície também afeta o rendimento,
está modelagem tornou-se uma ferramenta útil para a análise e construção de
concentradores de calha parabólica.
A viabilidade técnica para aplicação de concentradores de calha parabólica em
substituição aos coletores de placa plana foi pesquisada por KALOGIROU e LLOYD
(1994) de forma que os resultados obtidos após a comparação dos dois sistemas
destacam-se como vantagens: o fluido de trabalho pode atingir temperaturas mais
elevadas quando comparado com um sistema de placas planas da mesma área de
superfície coletora de energia solar, resultando em uma maior eficiência termodinâmica;
a eficiência térmica é maior por causa da menor área de perda de calor em relação à área
do receptor e a superfície refletora requer menos material e sua construção é
estruturalmente mais simples.
A contribuição às pesquisas dos autores ODEH et al. (1998), foi a modelagem
de um concentrador cilíndrico parabólico para produção direta de vapor, no qual foi
usado como fluido de trabalho o óleo Syltherm 800 para determinar as perdas térmicas
do coletor. A modelagem matemática foi baseada na temperatura da parede do
absorvedor, em vez da temperatura do fluido, na qual foram consideradas as perdas de
radiação, de convecção e de condução para as diferentes zonas de fase fluida (água,
vapor e vapor seco), esta estratégia foi usada para que os resultados possam prever o
desempenho geral do coletor com qualquer fluido de trabalho.
7
Na construção da estrutura parabólica, um dos fatores importantes que afetam o
desempenho de um PTC (Parabolic Trough Solar Collector) é a precisão da superfície
refletora. Neste sentido, para a redução dos erros de contorno na superfície do
concentrador ARASU e SORNAKUMAR (2007) aplicaram em seu protótipo um
compósito de fibra de vidro para fazer o reforço da ancoragem, que além de melhorar o
desempenho térmico do coletor, obtiveram bons resultados em testes de carga e de
torção aplicados a estrutura, o que concedeu ao coletor cilíndrico parabólico; alta
resistência específica (relação força-peso), rigidez específica (relação rigidez-peso),
propriedades que conferem ao protótipo alta resistência à temperaturas elevadas e à
corrosão ácida do concentrador.
Uma caracterização do erro de rastreamento direto em um rastreador solar de um
eixo foi proposta por SALLABERRY et al. (2015) no qual os pesquisadores usaram um
sensor digital de ângulo de gravidade (inclinômetro) para otimizar o ângulo de aceitação
que é uma característica chave de um concentrador solar, o qual pode ser definido como
o ângulo máximo no qual todos os raios incidentes em um sistema de concentração
ótica são transmitidos ao seu receptor. O procedimento proposto fornece uma melhor
precisão para o erro de rastreamento do que o ângulo teórico de aceitação.
No Brasil MALAGUETA (2012) fez uma revisão bibliográfica, apresentando
um panorama mundial a cerca do histórico da evolução do aproveitamento da energia
solar, que datam de tempos bem remotos e dos princípios e tecnologias aplicadas à
geração heliotérmica. Em seu trabalho descreve as principais tecnologias utilizadas
atualmente como: concentradores cilíndricos parabólicos, coletor Fresnel, disco
parabólico e torre central, informando ainda onde essas tecnologias estão sendo
aplicadas pelo mundo. Esta visão ampla desperta a necessidade da implantação de
projetos aqui no Brasil que conta com uma irradiância média mensal de expressiva
relevância.
2.2 - RADIAÇÃO SOLAR
Conceitos básicos são necessários ao desenvolvimento de tecnologias para o
aproveitamento da geração heliotérmica. Um primeiro conceito é dado por
KALOGIROU (2004); radiação solar é o termo usado no conceito da energia radiante
emitida pelo sol sob a forma de onda eletromagnética, que é obtida a partir de fusão
contínua no qual o hidrogênio é transformado em hélio.
8
Para mensurar a quantidade de radiação solar disponível em uma região e sua
variabilidade espacial e temporal é necessário compreender a posição relativa entre o sol
e a terra. Segundo PEREIRA et al. (2017) a terra orbita o sol a uma distância média de
cerca de 150 milhões de quilômetros, completando um ciclo a cada 365,25 dias solares.
Conforme apresentado na Figura 2.1 é possível observar a geometria do movimento
aparente da terra ao redor do sol, relacionada à transferência radioativa, a variância da
distância do sol em relação a um ponto na superfície e a variabilidade diária e sazonal
do sol que determina as estações do ano e a duração do dia.
Figura 2.1 - A geometria sol‐terra.
Fonte: TIBA e FRAIDENRAICH (2000).
No território brasileiro, os valores mensurados de irradiância constam no Atlas
Solarimétrico do Brasil. Devido a inclinação do eixo da terra essa distância varia entre
1,47 x 108 km e 1,52 x 108 km, por consequência, o fluxo de radiação solar também
varia entre 1.325 W/m² e 1.412 W/m² (TIBA e FRAIDENRAICH, 2000). De acordo
com NREL (National Renewable Energy Laboratory), um valor médio da irradiância
solar é estabelecido em 1.366 W/m² e é definido como a constante solar. Diante do
exposto, a duração do dia e a quantidade de energia solar incidente na superfície
9
terrestre apresenta variabilidade temporal, dado importante a ser considerado na
construção de um concentrador solar.
A irradiância solar fora da atmosfera é quase constante, contudo somente parte
da radiação solar atinge a superfície terrestre, a quantidade de radiação incidente na
superfície terrestre é composta pela radiação difusa, advinda do céu devido à difusão da
radiação solar na atmosfera e nas nuvens e a direta que representa a direção de
incidência na linha imaginária entre a superfície e o sol sem interferências dos processos
radiativos de absorção e espalhamento que ocorrem na atmosfera (PEREIRA et al.,
2017). Na Figura 2.2 é mostrado em detalhes os efeitos físicos e os processos que sofre
a irradiância a até atingir a superfície terrestre.
Figura 2.2 - Processos de interação da radiação solar.
Fonte: PEREIRA et al. (2017).
Segundo TIBA e FRAIDENRAICH (2000) existe consciência generalizada de
que o Brasil em toda sua extensão territorial conta com um recurso solar de excelente
qualidade. Na Figura 2.3 é apresentado um panorama do comportamento geral anual da
radiação solar global diária média anual no território brasileiro.
10
Figura 2.3 - Mapa de Isolinhas de Radiação Solar do Brasil.
Fonte: PEREIRA et al. (2017).
Na Tabela 2.1 são apresentados valores de radiação solar diária (médias
mensais) para algumas localidades no mundo, inclusive em Belém-PA.
Tabela 2.1 - Dados de radiação solar diária.
Localidade Latitude Hh (mínimo)
(MJ/m2)
Hh (máximo)
(MJ/m2)
Dongola - Sudão 19o 10' 19,1(Dez) 27,7(Mai)
Dagget - USA 34o 52' 7,8(Dez) 31,3(Jun)
Belém/PA - Brasil 1o 27' 14,2(Fev) 19,9(Ago)
Floriano/PI - Brasil 6o 46' 17,0(Fev) 22,5(Set)
Petrolina/PE - Brasil 9o 23' 16,2(Jun) 22,7(Out)
B. J, da Lapa/BA - Brasil 13o 15' 15,9(Jun) 21,1(Out)
Cuiabá/MT- Brasil 15o 33' 14,7(Jun) 20,2(Out)
B. Horizonte/MG - Brasil 19o 56' 13,8(Jun) 18,6(Out)
Curitiba/PR - Brasil 25o 26' 9,7(Jun) 19,4(Jan)
P. Alegre/RS - Brasil 30o 1' 8,3(Jun) 22,1(Dez)
Fonte: Adaptado de PEREIRA et al. (2017).
11
2.3 – CONCENTRADORES TERMOSSOLARES
Concentradores de energia solar são dispositivos trocadores de calor que tem por
função transformar a componente direta da radiação solar em energia térmica para o uso
em processos térmicos e para geração de energia elétrica, tendo como principal
elemento o coletor solar, isto é, a superfície óptica refletiva (KALOGIROU, 2004).
2.3.1 - Concentradores Solares Parabólicos
Os concentradores de calha parabólica constituem um tipo especial de
permutadores de calor que transformam energia da radiação solar em energia interna do
meio de transporte (KALOGIROU, 2004). São construídos dobrando uma lâmina de
material reflexivo ou montando com pedaços de espelhos em uma base côncava, para
formar a parábola, onde raios incidentes são refletidos e então focados na superfície
externa do tubo de metal, localizado na linha focal, e recoberto por um involucro de
vidro, a fim de reduzir as perdas de absorção do calor. O fluído a ser aquecido circula
pelo tubo e as trocas de calor ocorrem por condução e convecção. Exemplo de
concentrador é mostrado na Figura 2.4.
Figura 2.4 - Concentrador cilíndrico parabólico.
Fonte: RENEWABLE POWER NEWS (2009).
12
2.4 - CARACTERÍSTICAS DO CONCENTRADOR PARABÓLICO
2.4.1 - Definição de parábola
Em um projeto de construção da calha parabólica são necessários os cálculos
fundamentais para sua plotagem. Segundo MATOS (2009) a construção do
concentrador tem como base o traçado geométrico da parábola. Portanto,
matematicamente uma parábola é uma função quadrática definida pela expressão:
𝑦 = 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + 𝑐 (2.1)
Sendo a constante “a” define a abertura da parábola, conforme mostra a Figura 2.5.
Figura 2.5 - Exemplos de algumas parábolas.
Fonte: MATOS (2009).
Logo, tendo uma parábola definida da forma:
(𝑥; 𝑦) = (𝑥; 𝑎𝑥2) (2.2)
E, aplicando a derivada em qualquer ponto, temos:
(𝑥; 𝑦′) = (𝑥; 2𝑎𝑥) (2.3)
Então, derivando o y, encontramos a normal a curva será da forma:
(𝑦′; 𝑥) = (2𝑎𝑥; 𝑥) (2.4)
Portanto, ao aplicar-se a Equação reduzida da parábola, temos:
𝑥2 = 2𝑎𝑦𝑥2 (2.5)
13
2.4.2 - Distância focal
A partir da definição da parábola para encontrar a distância focal, aplica-se o
teorema de Pitágoras no triângulo formado pelos raios incidente e o raio refletido e a
normal ao espelho no ponto de incidência. Finalmente a distância focal, que é
representada pelo cateto oposto, é expressa da forma:
𝑓 =𝑥2
𝑎 (2.6)
Sendo:
𝑓=Distância focal;
𝑎=Abertura da parábola.
Conforme ARASU e SORNAKUMAR (2007) um gabarito executado a partir
das dimensões encontradas da parábola é necessário, para construção da estrutura da
calha parabólica onde será instalada a superfície refletora, que deve ser mais uniforme
possível, pois os erros de construção implicarão em perda de rendimento óptico e
consequentemente das eficiências gerais do concentrador de calha parabólica. Na Figura
2.6 estão representados os detalhes e as dimensões dos gabaritos utilizados pelos autores
em seu protótipo experimental.
Figura 2.6 – Gabarito construindo em compensado.
Fonte: ARASU e SORNAKUMAR (2007).
2.4.3 - Fator geométrico
De acordo com KALOGIROU (1996) as características construtivas, isto é, as
dimensões do coletor determinam o fator geométrico que é uma medida da redução
efetiva da área de abertura devido a efeitos anormais de incidência. Esta medida é
calculada pela razão entre a área sombreada e área total de abertura do coletor.
14
𝐴𝑓 = [
2
3 𝑊𝑎 . ℎ𝑝+𝑓.𝑊𝑎(1+ 𝑊𝑎
2
48.𝑓2)⁄
𝐴𝑎] (2.7)
Sendo:
𝐴𝑓 =Fator geométrico;
𝐴𝑎=Área Receptora (m²);
𝑊𝑎=Abertura da parábola (m);
ℎ𝑝=Altura da parábola (m);
𝑓=Distância focal.
Dessa forma, ao mensurar as dimensões do protótipo, deve-se ter máxima
atenção às relações gerais do coletor, pois seu desempenho depende das dimensões
inter-relacionadas.
2.4.4 - Cálculo da abertura do coletor
Segundo KALOGIROU (1996) para definir a área projetada dos raios solares
incidentes na calha é necessário definir o diâmetro do absorvedor e o melhor ângulo
para incidência solar, conforme Eq. (2.8). Portanto, a área de abertura do coletor afeta
não somente a taxa de concentração como também a eficiência óptica e o mau
dimensionamento desses fatores levam a perdas térmicas.
𝑊𝑎 = 2𝑟𝑟 𝑠𝑒𝑛(𝜃𝑟) = 4𝑓 𝑡𝑎𝑛𝑔 (𝜃𝑟
2) (2.8)
Sendo:
𝑊𝑎=Abertura da parábola (m);
𝜃𝑟 =Ângulo do quadrante (grau);
𝑓=Distância focal (m).
2.4.5 - Ângulo do arco de incidência solar
A refletividade é uma propriedade que determina a fração da radiação incidente
refletida por uma superfície; depende da direção da radiação incidente e radiação
refletida (PEREIRA et al., 2017).
15
Desta forma, para obter a posição do arco cujo ângulo ideal fará com que toda
radiação incidente na superfície refletora seja direcionado ao absorvedor, deve ser
escolhido segundo HE et al. (2011) de acordo com as coordenas cartesianas, esse
procedimento é necessário para o posicionamento da calha parabólica seguindo o
ângulo horário solar (ω), que corresponde ao deslocamento angular do movimento
aparente do sol devido à rotação da terra e varia entre -180° e +180° e cada hora
corresponde a 15° de variação do ângulo horário solar (OLIVEIRA, 2008). O ângulo
horário pode ser observado em detalhe na Figura 2.7.
Figura 2.7 - Ângulos notáveis em solarimetria.
Fonte: TIBA e FRAIDENRAICH (2000).
De acordo com HE et al. (2011) sendo a parábola simétrica e o fluxo de calor
também simétrico ao longo do eixo z, a amplitude do ângulo do círculo varia de -90º a
90º. Observando as coordenadas cilíndricas mostrada na Figura 2.8, o melhor ângulo
para construção da calha parabólica é o de 90º, desta forma mantendo a abertura do
concentrador neste ângulo, todo feixe de luz paralelo ao eixo proporcionará uma maior
irradiação absorvida pelo sistema.
Figura 2.8 - Sistema de coordenadas cilíndricas.
Fonte: HE et al. (2011).
16
2.4. 6 - Seleção do diâmetro do tubo absorvedor
Conforme citado, o absorvedor tem um papel importante no sistema, pois se
trata de um trocador de calor, onde será realizado o balanço energético do sistema, sua
função é receber a irradiação solar transmiti-la para o fluido térmico de trabalho. O
diâmetro do tubo é uma variável que interfere no cálculo da taxa de concentração; um
parâmetro importante para o cálculo da eficiência térmica do sistema (KALOGIROU e
LLOYD, 1984). Portanto, para a escolha do diâmetro do tubo absorvedor é necessário
considerar a altura de abertura da calha, para que sejam asseguradas as relações de
eficiências do sistema como um todo.
Segundo MATOS (2009) o tubo deverá apresentar uma boa condutibilidade para
que o calor absorvido seja facilmente transmitido ao fluído. O material mais utilizado
nas pesquisas experimentais é o cobre, sua condutibilidade térmica é da ordem de 400
W/m. Na Figura 2.9 podemos observar exemplos de tubos de cobre de vários diâmetros.
Figura 2.9 - Exemplo de tubos de cobre.
Fonte: MATOS (2009).
Foi demonstrado por INCROPERA (2003) que o tubo deve ter uma espessura
que lhe dê resistência mecânica, porém, seja o mais fino possível para que a
transferência de calor seja mais eficiente.
2.4.7 - Desempenho óptico do coletor
A eficiência óptica, segundo KALOGIROU (1996) é definida como a proporção
da energia absorvida pelo receptor para o incidente de energia na abertura do
concentrador.
17
𝜂𝑜 = 𝜌𝑚 𝜏𝑒𝛼𝑎 𝛾 [(1 − 𝐴𝑓 𝑡𝑎𝑛𝑔 (𝜃𝑟)) 𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑟)] (2.9)
Sendo:
𝐴𝑓 =Fator geométrico;
𝛼𝑎 =Absorção do receptor;
𝜂𝑜=Eficiência ótica;
𝜃𝑟 =Ângulo do quadrante (grau);
𝜌𝑚 =Reflexão do espelho;
𝜏𝑒=Transmissão do material de cobertura;
𝛾=Fator de interceptação.
Segundo SOUZA FILHO (2008) dependendo do material e do grau de precisão
que é construída a superfície refletora, a eficiência óptica representa um fator de
características limitadoras no resultado global do sistema.
Para OLIVEIRA JUNIOR (2015) o alumínio polido é uma alternativa para a
construção da superfície refletora, pois dependendo do processo de polimento de uma
das faces a folha de alumínio, pode alcançar uma refletividade de até 90%. Essa
superfície conta ainda com a proteção formada pela camada de óxido de alumínio
(Alumina), decorrente da oxidação natural do material.
2.4.8 - Desempenho térmico do coletor
A eficiência térmica de um concentrador solar, segundo KALOGIROU e
LLOYD (1984) é definida como a proporção da energia útil entregue ao incidente de
energia na abertura do concentrador. O cálculo é obtido pelo balanço energético no
receptor dado pela Eq. (2.10).
𝜂 = 𝜂𝑜 − (𝑈𝐿 (𝑇𝑟− 𝑇𝑎)
𝐼 x 𝐶𝑅) (2.10)
Sendo:
𝜂=Eficiência térmica;
𝜂𝑜=Eficiência óptica;
𝑈𝐿=Coeficiente de perda de calor (W/m²K);
𝑇𝑟=Temperatura média do receptor (ºC);
𝑇𝑎=Temperatura ambiente (ºC);
18
𝐼=Radiação solar direta (W/m²);
𝐶𝑅=Taxa de concentração.
A taxa de concentração é obtida a partir da Eq. (2.11).
𝐶 = 𝑊𝑎
𝜋 𝐷 (2.11)
Sendo:
C=Taxa de concentração;
Wa=Abertura da parábola (m);
D=Diâmetro do tubo.
Ainda segundo SOUZA FILHO (2008) assim como a eficiência óptica a
eficiência térmica também constitui um fator limitador para o desempenho global do
sistema.
2.4.9 – Eficiência instantânea do coletor
Segundo KALOGIROU (1996) as relações de eficiências são parâmetros
importantes para o bom desempenho de concentradores solares, neste sentido, a
eficiência instantânea é definida como a taxa de energia que é fornecida ao fluido de
trabalho e depende da taxa de energia útil, da área de abertura do coletor e da
quantidade de radiação solar que cai na parábola. Pode ser calcular através da Eq.
(2.12).
𝜂 = 𝑞𝑢
𝐼 𝐴𝑎 (2.12)
Sendo:
𝜂=Eficiência térmica;
𝑞𝑢=Taxa de energia;
𝐼=Radiação solar direta (W/m²);
𝐴𝑎=Área receptora (m²).
Para o cálculo da eficiência instantânea é necessário conhecer também o valor da
taxa de energia útil, que é calculada usando a Eq. (2.10).
𝑞𝑢 = 𝜂𝑜 𝐼 𝐴𝑎 − 𝑈𝐿(𝑇𝑟 − 𝑇𝑎) 𝐴𝑎 (2.10)
Sendo:
𝑞𝑢=Taxa de energia;
19
𝜂𝑜=Eficiência óptica;
𝐼=Radiação solar direta (W/m²);
𝐴𝑎=Área receptora (m²).
𝑈𝐿=Coeficiente de perda de calor (W/m²K);
𝑇𝑟=Temperatura média do receptor (ºC);
𝑇𝑎=Temperatura ambiente (ºC).
2.4.10 - Sistema de rastreamento
Os rastreadores solares são dispositivos usados para orientar sistemas de
concentração solar, a fim de aumentar a focalização da radiação solar em um receptor.
(SALLABERRY et al., 2015).
De acordo com OLIVEIRA (2008) os sistemas de rastreamento podem ser de
dois tipos: ativos, impulsionados por motores ou passivos quando o sistema é
impulsionado pelo deslocamento de um fluido, aquecido pela energia solar o qual muda
o ponto de equilíbrio.
Segundo SUMATHI et al. (2017) rastreadores ativos com sistema de eixo único
fornece apenas um grau de liberdade que atua como o eixo de rotação.
Para OLIVEIRA JUNIOR (2015) rastreadores ativos são aqueles que possuem
alguma forma de controle eletromecânico que permitem o alinhamento do sistema com
o sol, utilizando atuadores mecânicos, sensores e controlados por microprocessadores.
Dentre os tipos de rastreadores ativo, os rastreadores microprocessados, são
aqueles em que a posição do equipamento em relação ao sol é definida por equações
matemáticas que descrevem o movimento do sol sobre a terra (OLIVEIRA JUNIOR,
2015).
Uma classificação adicional atribuída aos coletores solares, segundo
KALOGIROU (2013) é através do potencial de rastreabilidade que estes apresentam em
relação aos raios solares, podendo ser estacionários, quando se mantem em
posicionamento constante em relação ao feixe direto da radiação, ou rastreadores, os
quais de acordo com o grau de liberdade, podem mover-se em um ou dois eixos. A
Tabela 2.2 apresenta esta classificação.
20
Tabela 2.2 - Classificação dos coletores solares por graus de rastreamento.
Motor Coletor Receptor Taxa de
concentração
Faixa de
temperatura
(oC)
Estacionário
Solar Plano Plano 1 30 a 80
Tubular a
vácuo Plano 1 50 a 200
Parabólico
composto Tubular
1 – 5 60 a 240
5 – 15 60 - 300
Rastreamento
em 1 eixo
Refletor linear
Fresnel Tubular 10 – 40 60 a 250
Cilíndrico
Parabólico Tubular 10 – 85 60 a 400
Rastreamento
em 2 eixos
Disco
parabólico Pontual 600 – 20000 100 a 1500
Heliostato
(torre central) Pontual 300 – 1500 150 a 2000
Fonte: Adaptado de KALOGIROU (2013).
A Tabela 2.2 mostra as principais características de sistemas de rastreamento
usados em alguns tipos de concentradores e os resultados obtidos no modo estacionário
e movimentos dos eixos.
De acordo com KALOGIROU (2013) os posicionamentos do sistema para
seguir o movimento diário de rotação da terra, em um único eixo podem ser conforme
mostrado na Figura 2.10.
Figura 2.10 - Posicionamentos do sistema para seguir o movimento diário de rotação da
terra.
Fonte: Adaptado de KALOGIROU (2013).
Para uma orientação no sentido Leste-Oeste, observando a Figura 2.10 tem-se
como vantagem; o fato de mover-se pouco ao longo de todo o dia e de sempre ficar
21
diretamente voltado para o sol ao meio-dia, enquanto que, o rastreamento no sentido
norte-sul; possibilita os melhores ângulos de incidência no horário de meio-dia.
Segundo NSENGIYUMVA (2008) a posição instantânea do sol, descrita por um
ângulo chamado “Ângulo de horas (ω)” representa a distância entre o meridiano que
passa pelo sol e o meridiano do lugar. Esse ângulo é zero ao meio-dia e aumenta em
direção ao leste à tarde. Considerando um rastreamento automatizado de forma hibrida,
isto é, por sensores e pelo ângulo horário a posição instantânea aparente do sol de ser
considerada para instalar adequadamente o concentrador solar no ponto de maior
irradiância.
Neste sentido, visto que o modo de rastreamento afeta a quantidade de radiação
incidente que cai na superfície do coletor, um sistema eletroeletrônico de rastreamento
automatizado possibilita maior confiabilidade e precisão.
2.4.11 - Automação do rastreamento
Um instrumento importante para a automação trata-se do controlador
programável, pois representam uma alternativa eficaz para fazer o controle de posição
dos concentradores solares parabólicos. Neste sentido, um conceito geral é dado pela
NEMA (National Electrical Manufacturers Association) para um CP (Controlador
Programável): É um aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável
para o armazenamento interno de instruções para implementação de funções especificas.
A Figura 2.11 mostra um exemplo de controlador lógico.
Figura 2.11 - Micro Controlador Programável CLIC-02. Fonte: WEG Manual do usuário (2010).
Na automação além do controlador é necessária à utilização de sensores que são
dispositivos transdutores capazes de responder a um estimulo. O Resistor Dependente
22
de Luz - LDR é um dispositivo semicondutor de junção p-n, cuja região de operação é
limitada à condução reversa (BOYLESTAD e NASHELSKY, 2004).
No sistema de rastreamento os sensores são inseridos em circuitos utilizados
para adequar eletricamente os sinais de entrada que serão processados pelo
microprocessador do CP (FRANCHI e CAMARGO, 2008).
2.4.12 - Controle de posição
Segundo NISE (2008) um sistema de controle consiste em subsistemas e
processos (ou plantas) reunidos com o propósito de controlar as saídas dos processos,
isto é, fornece uma saída ou resposta para uma dada entrada ou estimulo. De modo
geral, os sistemas são compostos de subsistemas do tipo: elétrico, mecânico e os
eletromecânicos. A Figura 2.12 apresenta o exemplo geral de um sistema de controle
em malha fechada e seus subsistemas.
Figura 2.12 - Exemplo de controle em malha fechada.
Fonte: NISE (2008).
O benefício de um sistema de controle é a precisão em mover grandes
equipamentos até mesmo remotamente, como por exemplo, um elevador que para
automaticamente no andar estabelecido. Ainda segundo NISE (2008), os sistemas de
controle são construídos por quatro razões: amplificação de potência, controle remoto,
facilidade do uso da forma de entrada e compensações de perturbações.
23
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo será descrito os materiais e métodos utilizados para o projeto,
construção e avaliação do protótipo de um concentrador solar cilíndrico parabólico com
rastreamento manual e automatizado.
3.1 - MATERIAIS
Os materiais e a metodologia utilizada para execução do concentrador de calha
parabólica será apresentada conforme diagrama de blocos mostrado na Figura 3.1.
Figura 3.1 – Diagrama de blocos.
A elaboração do projeto foi planejada de acordo com referencial teórico descrito
na seção anterior, os cálculos para definir a distância focal e a plotagem da parábola
foram executados no programa Wolfram Mathematica.
O concentrador solar parabólico foi construído com materiais reciclados:
pedaços de compensado com espessura de 30 mm, usados como molde para conformar
a parábola, barras chata de liga de alumínio medindo 2” x 1/8” (50,8 mm x 3,175 mm ),
utilizadas para a armação geral da calha e as com dimensões 1” x 1/8”(25,4 mm x
3,175 mm) para formar a superfície parabólica.
A superfície refletora foi montada com lâminas de alumínio polido com
dimensões de 0,22m x 1,08m e presas na ancoragem com rebites pop repuxo de
alumínio 510 - 4,8mm x 10,0mm, tubo de cobre com diâmetro de 19 mm,
concentricamente o tubo de cobre foi envolvido com tubo de vidro. Dois registros de
24
gaveta foram utilizados para controlar a passagem do fluido e um de inspeção para
realizar as leituras de temperatura do fluido em escoamento.
O rastreamento manual foi elaborado com pedaços de barra quadrada de 2/3” x
2/3” x 23,62” (16,93 mm x 16,93 mm x 599,99 mm), fixadas na estrutura com rebites
pop repuxo de alumínio 510 - 4,8mm x 10,0mm.
O concentrador experimental apresenta como característica principal o
rastreamento automatizado que utiliza um microcontrolador CLIC 02 WEG, sensores do
tipo LDR (Resistor dependente de Luz), um circuito eletrônico chamado de Ponte “H”,
um motor de corrente continua de 12 VCD , um conjunto de redutores, ligado ao eixo da
calha e condutores elétricos de cobre de 1mm² para fazer as conexões entre o
microcontrolador, sensores e motor.
3.2 - METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Inicialmente a exemplo de CHAUHAN (1976), surgiu a ideia de construir uma
lente fluida para concentrar a radiação solar, que foi confeccionada com barra de aço em
forma circular e plástico translucido para conter a água, apesar das tentativas, não se
obteve um foco puntiforme adequado para atingir a temperatura desejada. Utilizou-se
então lente convencional de vidro, mas ao calcular a quantidade de lentes necessárias
para compor um arranjo que permitisse atingir a temperatura desejada, o projeto se
mostrou inviável devido ao alto custo e a área ocupada pelo conjunto, que ficaria maior
que o equipamento. Desta forma a solução foi a construção de um concentrador solar,
pois este, dependendo de suas características construtivas, possibilita alcançar
temperaturas entre 60 a 400 ºC (KOLOGIROU, 2013).
3.2.1 - Dimensões do protótipo
Determinar os parâmetros geométricos é o ponto de partida para construção do
protótipo experimental, para o qual foram utilizadas as Equações 2.5 e 2.6, citadas por
MATOS (2009).
Os cálculos que definiram a abertura da parábola e distância focal
respectivamente foram executados, usando o programa Wolfram Mathematica e são
mostrados na Figura 3.2.
25
Figura 3.2 - Cálculo e formato da parábola do concentrador.
Com os resultados, o protótipo ficou com as dimensões físicas gerais definidas
conforme apresentado na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Dimensões do concentrador de Calha Parabólica.
Descrição Valor
Área de abertura do coletor 0,80 m²
Abertura do coletor 0,80 m
Relação abertura comprimento 0,80
Ângulo da parábola 90º
Diâmetro do absorvedor 19 mm
Taxa de concentração 14
Comprimento 1 m
Os resultados numéricos obtidos da parábola e a distância focal foram utilizados
para plotar no papel milimetrado e em escala natural a forma parabólica da superfície
refletora. O traçado pode ser observado na Figura 3.3a. Posteriormente o perfil da
parábola traçado no papel, foi colado no compensado de espessura 30 mm, para que o
corte na madeira fosse reproduzido com a máxima precisão. Após o corte do
compensado o gabarito ficou conforme apresentado nas Figuras 3.3 e 3.4.
26
Figura 3.3 - Perfil da parábola em papel milimetrado.
Figura 3.4 - Gabarito em compensado para construção da estrutura.
Com o gabarito em compensado pronto, o mesmo foi utilizado para moldar as
barras de alumínio com dimensões: 1” x 1/8” (25,4 mm x 3,175 mm), que formaram a
ancoragem de sustentação das lâminas, depois de conformadas as barras foram fixadas
com rebite pop na peça de alumínio mais larga 2” x 1/8” (50,8 mm x 3,175 mm), e após
concluída as fixações as quatro extremidades foram amarradas com arame recozido nº
16. A Figura 3.5 mostra os detalhes da montagem da calha.
27
Figura 3.5 - Montagem da estrutura de ancoragem.
A estrutura da ancoragem principal do concentrador foi construída com as barras
de alumínio 2” x 1/8” x 39,37” (50,8 mm x 3,175 mm x 1.000mm) alinhadas e pré-
fixadas com arame galvanizado número 16; com o máximo cuidado para não deformar a
superfície, posteriormente a estrutura foi soldadas para conceder à calha uma maior
estabilidade. Após a soldagem o perfil ficou pronto para receber as lâminas de alumínio
polido. A calha soldada pode ser observada na Figura 3.6.
Figura 3.6 – Calha montada para receber as Lâminas.
28
Para construção da superfície refletora utilizou-se alumínio polido, que além de
ser fácil de moldar atingiu bons níveis de reflexão. Porém, infelizmente o alumínio
apesar de apresentar a vantagem de ter um maior índice de reflexão é também mais
susceptível a riscos, o que foi percebido ao longo dos ensaios. Uma visão geral da calha
pronta é apresentada nas Figuras 3.7 e 3.8.
Figura 3.7 - Fixação das lâminas de alumínio.
Figura 3.8 - Lâminas sem o filme protetor.
29
Concluída a estrutura de ancoragem, a distância focal foi marcada na lateral da
calha no sentido longitudinal em uma barra de alumínio, soldada e furada para ser
fixado o tubo absorvedor de cobre. Um primeiro ensaio do coletor foi realizado para
confirmar a se tubo estava realmente posicionado na distância focal, mensurada a partir
do cálculo efetuado usando a Eq. (3.6). A posição do tubo absorvedor instalado na linha
focal é mostrada conforme Figura 3.9.
Figura 3.9 - Posição do tubo na linha focal.
O absorvedor é o principal componente térmico do sistema, sendo responsável
pela troca de calor e onde o balanço energético é realizado. O material escolhido para o
tubo absorvedor é o cobre, pois sua característica física apresenta uma boa
condutibilidade térmica e a transferência de calor por condução é facilitada pela pouca
espessura da parede do material, porém sem comprometer a proteção mecânica
necessária ao tudo devido o aumento da pressão, quando o fluido ganha energia térmica
e circula em seu interior.
O ângulo do arco usado para se obter o melhor aproveitamento da irradiação
solar é o de 90º, tomando como referência os estudos de HE et al. (1984) que
determinaram a partir de modelamento matemático, como sendo o mais apropriado. A
Figura 3.10 mostra o tubo absorvedor fixado na linha focal recebendo a energia
radiante; em sua superfície é possível também notar alguns pontos escuros no espectro
30
formado, efeito este que se deve às imperfeições na superfície refletora, causados no
momento de fixação das lâminas.
Figura 3.10 - Tubo absorvedor posicionado na linha focal.
De acordo com as pesquisas de MALAGUETA, (2011) para diminuir as perdas
térmicas, resultantes das trocas de calor por convecção e radiação entre a parede do tubo
e o meio ambiente, é necessário proteger o absorvedor. Neste trabalho o tubo de cobre
foi recoberto com um tubo de vidro (sucata de lâmpada fluorescente tubular de 40W). O
resultado final da adequação pode ser observado na Figura 3.11.
Figura 3.11 - Tubo absorvedor revestido com tubo de vidro.
31
3.2.2 – Sistema de rastreamento solar – Controlador Programável
Uma estrutura feita com cantoneiras de aço foi construída para suportar a calha
parabólica e o sistema de rastreamento solar, composto dos seguintes equipamentos:
motor e engrenagens redutoras de acoplamento à calha, placa eletrônica da Ponte “H” e
o microcontrolador CLIC 02 da WEG. O protótipo experimental tem como
característica o movimento em apenas um eixo, com um grau de liberdade, para seguir o
sol em seu descolamento aparente com ajuste pelo ângulo horário solar (𝜔); que
corresponde ao deslocamento angular do movimento aparente do Sol devido à rotação
da Terra (PEREIRA et al., 2017). O descolamento da calha será lento, promovido pelo
motor de corrente continua, sendo essa uma característica do sistema de rastreamento
com orientação Leste-Oeste.
Para que o mecanismo dê ao protótipo a mobilidade esperada no eixo de rotação,
o acionamento do atuador será realizado pelo microprocessador que recebe o sinal de
suas entradas digitais, através de quatro sensores (LDR, 5W) que foram instalados nas
laterais da calha ou no caso em que céu esteja nublado, pelo ângulo horário, calculado
para o grau de inclinação desejado.
Uma primeira tentativa de utilização de motor para movimentar a estrutura da
calha, foi frustrada devido a dificuldade de controlar a alta rotação apresentada pelo
mesmo e a falta de torque, pois não suportou o peso da calha em ângulos próximos a 45º
e -45º. A Figura 3.12 mostra a instalação do primeiro motor acoplado na estrutura.
Figura 3.12 - Instalação do primeiro motor.
32
A solução encontrada, após a tentativa frustrada com a utilização do motor com
alta rotação, foi utilizar outro motor de corrente contínua, porém mudou-se a forma de
acoplamento a calha. Para atingir o torque necessário utilizou-se um sistema de
redutores com engrenagens; desta forma foi possível movimentar a calha A Figura 3.13
mostra o protótipo com o sistema de redução montado acoplado a calha por correias.
Figura 3.13 – Sistema de redução.
Com o sistema de redutores montado para garantir uma rotação do eixo da calha
segura e precisa, e o controle de velocidade do motor mantida, foi necessário
desenvolver uma placa eletrônica conhecida como Ponte “H”, pois o microcontrolador,
responsável pelo controle lógico, utiliza baixos valores de tensão e corrente, sendo,
portanto, incapaz de chavear a corrente requerida pelo motor. A Figura 3.14 apresenta a
Ponte “H” construída para compor o sistema de rastreamento.
33
Figura 3.14 - Placa eletrônica da Ponte “H”.
Uma Ponte “H” é construída com quatro chaves que permitem direcionar o
caminho que a corrente deve percorrer através motor (OLIVEIRA JUNIOR, 2015). Essa
chave eletrônica tem como principal componente tiristores, um dispositivo eletrônico
semicondutor que opera como chave, e seu nome é decorrente da configuração das
chaves no circuito formando a letra “H”, sendo que cada uma situa-se em um quadrante,
cujo centro tem o motor, as chaves tem por finalidade ligar e inverter o sentido de
rotação do motor. A Figura 3.15 mostra o diagrama da posição das chave no circuito.
Figura 3.15 - Diagrama do circuito da Ponte H.
Fonte: PATSKO (2006).
34
A variação da velocidade de um motor de corrente continua se faz de acordo
com intensidade de corrente fornecida ao mesmo e para inverter o sentido de rotação,
que é necessário para a calha voltar ao fim do percurso para o ponto de partida, deve-se
inverter o sentido da corrente fornecida ao circuito. A Figura 3.16 apresenta o diagrama
com o sentido da corrente ao fazer a inversão da rotação.
Figura 3.16 – Caminho percorrido pela corrente.
Fonte: PATSKO (2006).
Para fazer o controle do ângulo da radiação direta que cai sobre a calha, quatro
sensores (LDR - Light Dependance Resistor), foram fixados na lateral da mesma, os
quais tiveram que ser colocados dentro de um tubo escuro, pois a sensibilidade dos
mesmos é; incialmente os sensores foram posicionados num ângulo de 90º em relação
ao plano de abertura da parábola, porém não funcionaram adequadamente e finalmente
os sensores foram fixados a uma angulação próximo a 180º, conforme pode ser
observado na Figura 3.17.
Figura 3.17 - Posição da fixação dos sensores.
35
Com os sensores fixados na posição ideal, eles receberam a radiação direta do
sol de forma idêntica, tendo-se aí o ponto de melhor alinhamento para que o sistema de
rastreamento posicione a abertura da calha do concentrador no melhor ângulo de
incidência. Os sensores fixados na lateral da calha são mostrados na Figura 3.18.
Figura 3.18 – Sensores fixados na lateral da calha.
3.2.3 – Sistema de controle
Para o controle lógico foi utilizado um microcontrolador, chamado de relé
inteligente, CLIC 02 da WEG, que opera com 24 V e 100mA. O microcontrolador,
responsável pelo controle lógico da movimentação do atuador, foi programado para
fazer o controle em malha fechada, isto é, comparar o sinal de saída com o sinal de
entrada estabelecido no set point, de tal forma que os subsistemas chamados de sensores
e atuador sejam usados para regular a posição definida no set point a fim de manter a
calha no ângulo de maior irradiância solar, conforme é descrito na Figura 3.19.
36
Figura 3.19 - Diagrana de blocos da malha fechada.
O rastreamento automático se fará conforme programação efetuada; após
varredura das leituras dos sinais de entradas e saída do microcontrolador. Ao receber o
sinal de entrada enviado pelos sensores, o microcontrolador compara o estado lógico em
sua região de memória, com os definidos no set point e corrige o erro de posição
enviando um sinal de saída a ponte “H” que dará o comando para o motor ligar e girar o
eixo até assumir a posição corrigida, esse procedimento é mantido num ciclo de
varredura dentro de um intervalo de tempo preestabelecido, ao final do dia o controlador
envia um sinal para que a calha retorne ao ponto inicial e no dia seguinte, no tempo
inicial definido, recomeça o ciclo de varredura.
Este procedimento é realizado quando o dia estiver ensolarado, isto é, sem a
presença de nuvens que encubra os sensores da radiação solar direta, porém como a
região Norte apresenta grande nebulosidade, o sistema foi planejado para funcionar de
forma hibrida, isto é, através dos sensores e pelo ângulo horário. A programação do
sistema lógico que o micro controlador executa, foi desenvolvida usando a linguagem
Ladder, um trecho da programação é mostrado na Figura 3.20.
37
Figura 3.20 – Trecho da programação em linguagem Ladder.
No desenvolvimento da programação para o sistema hibrido, o controle pelo
ângulo horário solar se fará, nos momentos em que o céu esteja nublado. Neste caso, o
rastreamento se fará conforme o ângulo horário (𝜔), tendo como parâmetro a hora solar
ou tempo solar verdadeiro e calculado conforme a Eq. (3.7) (OLIVEIRA, 2008).
38
𝜔 = 15 (𝑇𝑆𝑉 − 12) (3.7)
Sendo:
𝜔=Ângulo horário solar;
𝑇𝑆𝑉=Tempo Solar Verdadeiro;
O Tempo Solar Verdadeiro – TSV que está relacionado com a hora local, é
calculado usando a Eq. (3.8).
𝑇𝑆𝑉 = 𝑇𝑂 + 4 (𝐿𝑆𝑇 − 𝐿𝑂𝐶) + 𝐸𝑇 (3.8)
Sendo:
𝑇𝑆𝑉=Tempo Solar Verdadeiro;
𝑇𝑂=Hora oficial da região;
𝐿𝑆𝑇=Hora oficial
𝐿𝑂𝐶=longitude padrão (Brasília 45º oeste);
𝐸𝑇=Equação do tempo.
A Equação do tempo (𝐸𝑇) é calculada pela Eq. (3.9)
𝐸𝑇 = (0,000075 + 0,001868 cos ┌ − 0,032077 sin ┌ − 0,014615 cos ┌ −0,04089 sin ┌) (3.9)
Sendo:
┌ = Ângulo do dia em radianos.
Pode ser calculado por:
┌ = 2𝜋 (𝑑𝑛−1)
365 (3.10)
Sendo:
𝑑𝑛 = Dia do ano.
O sistema de rastreamento solar foi testado em diferentes situações; com carga e
sem carga e devido às condições climáticas da região, só foi possível realiza-lo nos dias
em que o céu apresentou-se ensolarado ou em dias parcialmente nublado.
Os primeiros ensaios do concentrador solar foram realizados sem carga para
confirmar a distância focal, o ângulo de incidência e para observar se a superfície
refletora, apesar do cuidado ao fixa-la, apresentava erros de contorno. O sistema de
rastreamento fixado a calha é apresentado na Figura 3.21.
39
Figura 3.21 – Calha com sistema de rastreamento.
O diagrama de blocos apresentado na Figura 3.22 descreve o algoritmo de
controle do sistema de rastreamento solar e suas sub-rotinas que compõem o conjunto
de instruções do programa de controle principal.
Figura 3.22 - Diagrama de blocos do procedimento.
3.2.4 - Testes do absorvedor sem carga e com rastreamento manual
O teste sem carga foi realizado posicionando o concentrador solar com a
abertura da calha parabólica voltada para o ângulo de incidência solar e seu
40
comprimento longitudinal, no sentido norte-sul geográfico e com rastreamento solar
efetuado de forma manual.
O rastreamento feito de forma manual, para seguir o Sol no sentido Leste-Oeste,
com uma cantoneira em que foram feitos rasgos a cada 1 centímetro para fazer o
travamento na posição desejada. A Figura 4.1 mostra as características do coletor e do
céu no dia do ensaio.
No início dos ensaios percebeu-se que a ação dos ventos na tubulação externa a
calha causava perda de calor, o evento foi percebido nas primeiras leituras de
temperatura efetuadas no meio do tubo absorvedor e na saída do mesmo, a solução ao
problema detectado foi revestir toda tubulação externa a calha, entrada e saída com
material esponjoso isolante térmico recoberto com fita também isolante. A Figura 3.23
mostra o tratamento isolante dado à tubulação externa.
Figura 3.23 - Tubulação de saída com tratamento isolante térmico.
Após o tratamento executado, a cada 10 ou 15 minutos, o que corresponde ao
movimento angular horário de 2,5º e 3,75º respectivamente, era feito o
reposicionamento da calha na posição adequada e ao mesmo tempo observava-se
também o espectro da radiação solar no absorvedor, para receber a máxima radiação
solar na abertura da parábola. As leituras de temperatura foram realizadas a cada 30
minutos no intervalo entre 10:00 h e 16:00 h, a 10 cm antes da saída do tubo onde foi
instalado um registro que serviu para a inspeção. A Figura 3.22 mostra uma coleta de
temperatura na abertura de inspeção.
41
Figura 3.24 - Exemplo de verificação de temperatura.
Os ensaios iniciais foram importantes para se perceber os acertos e corrigir os
erros de construção que o sistema apresentou.
3.2.5 - Testes do absorvedor com carga e com rastreamento manual
Após a confirmação que o absorvedor foi fixado na linha focal, foram realizados
os ensaios com carga para posteriormente comparar os resultados com os do
rastreamento automático, o procedimento de reposição da calha no foco foi o mesmo
executado no ensaio sem carga.
Inicialmente encheu-se o absorvedor com água potável, certificando se estava
totalmente cheio e sem bolhas de ar uma garrafa pet de dois litros foi instalada na
entrada da tubulação, para reabastecer o tubo conforme necessário, isto é, à medida que
na outra extremidade a água saia em forma de vapor, os registros localizados na saída
do tubo e na saída para inspeção eram fechados; efetuava-se leitura de temperatura da
água na entrada do tubo.
Um registro de gaveta foi instalado na entrada da tubulação juntamente com um
sifão feito com o mesmo material, para não permitir que a água retornasse ao
reservatório e outro instalado no final do tubo absorvedor. Com esse procedimento foi
possível controlar a pressão abrindo o registro permitindo a saída do fluido. A Figura
3.25 mostra o controle de pressão interna do absorvedor em teste.
42
Figura 3.25 - Absorvedor com sifão e registro.
O rastreamento manual da calha inicialmente foi executando através de uma
cantoneira, na qual foram feitos cortes, com serra circular, com 1 cm de distância ao
longo de seu comprimento, porém essa distância em alguns momentos não posicionava
a calha na posição correta. A Figura 3.26 mostra a calha com posição travada na base da
estrutura de sustentação.
Figura 3.26 - Método manual de travamento da calha.
43
Foi necessário fazer outro método de travamento para que a calha pudesse
percorrer um range maior de valores e possibilitasse uma posição de acordo com a
declinação do sol no ângulo adequado. A Figura 3.27 mostra a calha com posição
travada na base da estrutura de sustentação com o novo método de fixação.
Figura 3.27 - Método manual deslizante de travamento da calha.
Com os ajustes feitos, seguiram-se os ensaios reposicionando a calha em
intervalos de 3 minutos ou quando o céu estava encoberto aguardando a nuvem passar
para posicionar a calha; com o tempo decorrido de 30 minutos, abria-se o registro de
inspeção lentamente e o termômetro era introduzido na abertura, fazia-se a primeira
leitura e na sequencia fechava-se o registro e aguardava 30 minutos para efetuar a
próxima leitura até finalizar o horário definido de 16:00 h. Quando a temperatura se
aproximava de 100 ºC, começava a ser observado o vórtex causado pelo escoamento
turbulento devido o aumento de temperatura no interior do tubo. Este evento era
percebido antes de começar a vaporização da água e quando isto acontecia era momento
de abrir o registro de entrada para liberar água na tubulação. O reabastecimento era
realizado através da garrafa localizada na entrada da tubulação.
3.2.6 - Testes do absorvedor com carga e com rastreamento automático
Nos ensaios do concentrador com o rastreamento automático, foram seguidos os
mesmos procedimentos para posicionamento da calha. Porém, agora a calha move-se de
forma automática, seguindo o movimento aparente do sol através do movimento de
44
rotação causado no eixo do motor de corrente continua, que foi ligado na saída de um
circuito eletrônico (Ponte “H”) que por sua vez recebe o comando a partir do micro
controlador.
O microcontrolador para enviar o sinal para a posição adequada, ao ser ligado
faz uma varredura em suas entradas, onde estão instalados os sensores (LDR), e
conforme programação compara os sinais recebidos e caso haja erro de posição, manda
o sinal para sua saída digital onde esta conectada a ponte “H” que por sua vez liga o
motor, que se moverá até a posição corrigida. O microcontrolador mantém o ciclo de
varredura durante o intervalo entre 10:00 h e 16:00 h, mantendo o motor sempre com a
abertura da calha voltada para o ângulo de melhor incidência solar. No final do ciclo de
um dia, o motor inverte o sentido de rotação e move o concentrador para a posição
inicial, para que no dia seguinte recomece o processo de rastreamento.
As leituras de temperatura realizadas nos ensaios, foram mensuradas com um
termômetro digital, da marca Incoterm, tipo espeto com alarme, visor em cristal líquido,
resolução de 1º C e exatidão com faixas compreendidas entre; -10º C a 100º C = ∓ 1º C
e acima de 200º C = ∓ 2º C. A Figura 3.28 mostra a imagem do termômetro usado na
pesquisa.
Figura 3.28 – Imagem do termômetro digital.
45
CAPÍTULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Através dos estudos realizados, base para o dimensionamento, construção e
implementação do rastreamento automatizado do protótipo experimental, o qual fosse
capaz de aproveitar a energia solar; concentrado a radiação direta solar em ponto focal
(linha focal) e transferindo-a para um tubo absorvedor que por sua vez aquecesse a água
a uma temperatura de 80 ºC, para aplicar a técnica de branqueamento do açaí
determinada pela resolução da ANVISA nº 218, de 29 de julho de 2005. A coleta das
amostras dos valores de temperaturas foram mensuradas e ordenadas em tabelas, em um
período compreendido entre 22 de fevereiro e 20 de junho de 2018, apresentadas em
diferentes aspectos: climáticos, horários, com e sem cobertura do tubo absorvedor,
rastreamento manual e automatizado, sendo este último aspecto, a contribuição principal
da dissertação para atingir a temperatura requerida.
4.1 - ANÁLISE DO SISTEMA DE RASTREAMENTO MANUAL
4.1.1 - Análise térmica do absorvedor sem cobertura e carga
O primeiro ensaio foi realizado com o tempo estabelecido de seis horas,
compreendido entre 10:00 h e 16:00 h. No primeiro ensaio, as amostras dos valores de
temperatura foram realizadas a cada 30 minutos, ocorrendo o teste no dia 22 de
fevereiro de 2018. O céu apresentava-se com bastantes nuvens espaças, o que
comprometeu os resultados. O posicionamento da calha foi realizado conforme
procedimento descrito na secção anterior, com o tubo absorvedor sem a cobertura de
vidro e o acompanhamento do movimento do Sol, executado manualmente.
O rastreamento feito de forma manual, para seguir o Sol no sentido Leste-Oeste,
com uma cantoneira em que foram feitos rasgos a cada 1 centímetro para fazer o
travamento na posição desejada. A Figura 4.1 mostra as características do coletor e do
céu no dia do ensaio.
46
Figura 4.1 – Ensaio do concentrador.
O ensaio consistiu-se em medir a temperatura inicial do tubo absorvedor as
10:00 h, com o termômetro digital, posicionado na extremidade onde sairá o fluido
(água potável) e posteriormente foram coletados os valores de temperatura a cada 30
minutos, concluindo o ensaio as 16:00 h, ao final do ensaio o coletor foi coberto para
proteger a superfície refletora, os dados do ensaio podem ser observados na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 - Resultados do teste do concentrador operando sem carga.
Hora de medição (h) Tabsorvedor (ºC)
10:00 30
10:30 130
11:00 140
11:30 127
12:00 150
12:30 160
13:00 167
13:30 140
14:00 120
14:30 145
15:00 160
15:30 158
16:00 167
Média 138
47
Com base nos resultados obtidos na Tabela 4.1, foi plotado o gráfico
demostrando o comportamento da temperatura ao longo do tempo. A Figura 4.2 mostra
o comportamento da temperatura durante o ensaio.
Figura 4.2 - Comportamento da temperatura ao longo do tempo.
Com pode ser observado na Figura 4.2, no primeiro ensaio o valor de
temperatura máxima que o concentrador atingiu foi de 167º C e apresentou uma média
igual a 138 ºC, desta forma, os resultados do primeiro ensaio apresentados pelo
concentrador, mostrou que o mesmo possui condições de atingir a temperatura
pretendida. Porém, foi observado durante o primeiro ensaio que os valores de
temperatura declinavam rapidamente quando o coletor ficava sobre o céu encoberto ou
sofrendo a ação de rajadas de vento.
Para se observar melhor o comportamento da temperatura e fazer o registro
desses eventos e registra-los ao longo de seis horas, optou-se por diminuir o intervalo de
tempo entre as coletas de dados para 10 minutos. Os novos resultados podem ser
observados na Tabela 4.2. Os ensaios foram realizados no dia 5 de fevereiro de 2018 o
céu estava claro, porém apresentando nuvens espaças.
0
50
100
150
2001
0:0
0
10
:30
11
:00
11
:30
12
:00
12
:30
13
:00
13
:30
14
:00
14
:30
15
:00
15
:30
16
:00
Tem
per
atura
(ºC
)
Tempo (h)
48
Tabela 4.2 – Resultados do teste do concentrador operando sem carga.
Hora de
medição Tabsorvedor (ºC)
Hora de
medição Tabsorvedor (ºC)
10:00 32 13:10 167
10:10 135 13:20 160
10:20 122 13:30 50
10:30 142 13:40 167
10:40 140 13:50 165
10:50 160 14:00 145
11:00 165 14:10 150
11:10 165 14:20 148
11:20 170 14:30 149
11:30 81 14:40 42
11:40 168 14:50 141
11:50 170 15:00 160
12:00 164 15:10 168
12:10 174 15:20 159
12:20 40 15:30 159
12:30 170 15:40 150
12:40 175 15:50 153
12:50 168 16:00 148
13:00 173
Média 143,11
Percebe-se que o valor médio de temperatura foi um pouco maior, mesmo
apesentando picos de temperaturas baixas devido o céu apresentar períodos encobrindo
o coletor com maior frequência, o que também foi observado no primeiro ensaio, mas
sem registro da ocorrência na tabela.
O gráfico apresentado na Figura 4.3 contém os resultados obtidos diminuindo-se
os intervalos de leitura, nos mostrando uma visão melhor da variância de temperatura ao
longo do tempo, que mesmo sofrendo a ação do vento e céu encoberto, proporciona uma
temperatura média de 143,11 ºC.
49
Figura 4.3 – Variâncias da temperatura ao longo do tempo.
4.1.2 - Análise térmica do absorvedor com cobertura
O ensaio do coletor com cobertura de vidro sobre o absorvedor é necessário para
comprovar a ação do vento, provocando perdas térmicas e consequentemente diminindo
a temperatura. O ensaio foi realizado seguindo os mesmo procedimentos de
posicionamento ja citados anteiormente, porém aplicando tinta seletiva preta para
melhorar a absorção no tubo de cobre e colocando concentricamento ao mesmo um tubo
de vidro. A Figura 4.4 mostra como o concentrador ficou apos recoberto com o tubo de
vidro e aplicada pintura.
Figura 4.4 – Absorvedor pintado e recoberto com tubo de vidro.
0
50
100
150
200
Tem
per
atura
(º
C)
Tempo (h)
50
Conforme se previa, a resposta do sistema melhorou após a aplicação da tinta e
protegendo o absorvedor de cobre com o tubo de vidro. O ensaio foi realizado no dia 17
de março de 2018, os dados obtidos podem ser observados na Tabela 4.3.
Tabela 4.3 – Resultados do teste do concentrador com cobertura de vidro e com carga.
Hora de
medição Tabsorvedor (ºC)
Hora de
medição Tabsorvedor (ºC)
10:00 30 13:10 137
10:10 134 13:20 138
10:20 134 13:30 138
10:30 136 13:40 136
10:40 138 14:50 142
10:50 80 14:00 140
11:00 138 14:10 134
11:10 139 14:20 136
11:20 141 14:30 136
11:30 130 14:40 140
11:40 138 14:50 138
11:50 136 15:00 65
12:00 138 15:10 73
12:10 141 15:20 142
12:20 137 15:30 140
12:30 139 15:40 140
12:40 139 15:50 142
12:50 138 16:00 136
13:00 70
Média 127,81
Observando o gráfico, plotado a partir da Tabela 4.3, na Figura 4.5 podemos
visualizar o comportamento da temperatura ao londo do tempo sobre a influencia da
cobertura de vidro no abasorvedor. Neste dia o céu apresentou-se com menos nuvens
durante o ensaio.
51
Figura 4.5 - Influência da cobertura do tubo absorvedor.
Com os ensaios realizados no concentrador acrescentando ao tubo, pintura e o
recobrindo com tudo de vidro, proporcionou-se ao concentrador certa estabilidade nos
valores de temperatura mensurados, representando um ganho significativo às eficiências
gerais empíricas do concentrador. No entanto, ainda é possível observar picos de baixa
temperatura causados pelo céu encoberto, devido à característica do concentrador de
calha parabólica só trabalhar com a radiação direta recebida do Sol.
Para avaliar o progresso dos testes realizados, os resultados apresentados pelo
concentrador foram comparados com a pesquisa de SOUZA FILHO (2008). A Tabela
4.4 apresenta o trecho onde os dados foram coletados no mesmo horário.
Tabela 4.4 – Comparativo de ensaios dos concentradores com carga e rastreamento
manual.
AUTORA SOUZA FILHO
(2008)
Tempo (h) Temperatura (ºC)
10 - 11 112,86 160,30
11 -12 137,14 147,70
12 -13 128,86 148,30
13 - 14 128,71 154,30
14 - 15 127,00 152,10
Média 126,91 152,54
0
50
100
150
10:0
0
10:2
0
10:4
0
11:0
0
11:2
0
11:4
0
12:0
0
12:2
0
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0
Tem
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atura
(ºC
)
Tempo (h)
52
A comparação foi possível, pois os concentradores apresentavam as mesmas
características construtivas e mesmas condições de ensaio, isto é, sem carga e com
rastreamento manual. A Figura 4.6 apresenta o resultado das duas pesquisas.
Figura 4.6 – Comportamento da temperatura.
Observando a Figura 4.6 é possível notar que o protótipo apresenta
características de comportamento da temperatura similares, levando-se em consideração
as amplitudes das temperaturas e as restrições de cada região dos ensaios, pois o ensaio
de SOUZA FILHO (2008) foi realizado em Natal-RN onde os valores de radiação solar
global diária, média anual; conforme mostrada na Figura 2.3 do Capítulo 2, são maiores
que as apresentadas na região Norte e sem esquecer-se das condições climáticas no dia
dos ensaios que variam de um dia para o outro.
4.2 - ANÁLISE DO SISTEMA DE RASTREAMENTO AUTOMÁTICO
4.2.1 – Análise térmica do absorvedor
Os ensaios foram realizados entre 08 de maio a 20 de junho de 2018 e as coletas
de dados realizadas entre 10:00 h e 16:00 h, com intervalos de 10 minutos. Os ensaios
realizados neste período dois foram concluído com o tempo previsto de seis horas, pois
devido o período chuvoso da região ter se estendido além do previsto, alguns testes
-
20,00
40,00
60,00
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AUTORA FILHO (2008)
Tem
per
atura
ºC
Tempo (h)
53
começavam, mas não foram concluídos devido o mau tempo; nublado e com chuvas,
desta forma impossibilitando a coleta de dados.
O posicionamento da calha foi realizado conforme procedimento descrito na
secção anterior, com o tubo absorvedor com a cobertura de vidro devidamente instalada
e o acompanhamento do movimento aparente do Sol, controlado por um micro
controlador; os detalhes de instalação e programação foram descritos na seção 3.2.3 do
Capitulo 3. A Figura 4.7 apresenta o concentrador solar com sistema de engrenagens
para o movimento de rotação da calha e sistema de rastreamento automático
devidamente instalado.
Figura 4.7 - Concentrador com o rastreamento automatizado instalado.
Os resultados obtidos no dia da coleta de dados das temperaturas com o
concentrador de calha parabólica operando com carga e o rastreamento solar
automatizado realizado por micro controlador, podem ser observados na Tabela 4.5.
Tabela 4.5 – Resultados do teste do concentrador operando com carga.
Hora de
medição Tabsorvedor (ºC)
Hora de
medição Tabsorvedor (ºC)
10:00 31 13:10 115
10:10 155 13:20 113
10:20 150 13:30 141
10:30 150 13:40 139
10:40 148 13:50 131
10:50 140 14:00 133
54
Tabela 4.5 – Continuação.
Hora de
medição Tabsorvedor (ºC)
Hora de
medição Tabsorvedor (ºC)
11:00 143 14:10 135
11:10 150 14:20 134
11:20 150 14:30 134
11:30 152 14:40 90
11:40 150 14:50 133
11:50 150 15:00 131
12:00 146 15:10 131
12:10 144 15:20 131
12:20 145 15:30 133
12:30 141 15:40 130
12:40 138 15:50 133
12:50 90 16:00 133
13:00 80
Média 131,70
A Figura 4.8 apresenta o comportamento das temperaturas na saída do fluido no
absorvedor. Este gráfico foi obtido através da aquisição dos dados apresentados na
Tabela 4.4. Observando o gráfico é possível perceber que o rastreamento automático
associado aos ganhos adquiridos pela pintura do tudo de cobre e protegido dos ventos
pelo tubo de vidro, forneceu ao sistema uma melhora na estabilidade dos valores de
temperatura por mais tempo, o que permitiu atingir uma temperatura média em torno de
108,59 ºC. Porém, os picos de baixa temperatura ainda podem são observados.
Figura 4.8 – Comportamento da temperatura com rastreamento automático do coletor.
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Tem
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Automático Tempo
55
Através da Análise dos resultados apresentados pelo concentrador com
rastreamento automatizado, verificados até o momento já é possível perceber que o
mesmo fornece ao concentrador ganhos positivos ao seu desempenho energético e a
possibilidade de aplicação em processos térmicos.
4.2.2 – Análise da influência do rastreamento automático na temperatura do fluido
Tomando como referência os resultados de temperatura mostrados nas Tabelas
4.3 e 4.4; rastreamento manual e automático respectivamente e agrupando os dados,
será possível observar com maior clareza a influência que o sistema de rastreamento
automatizado provoca no resultado global. A Figura 4.9 mostra o comportamento das
temperaturas de saída do fluido no absorvedor nos dois modos de rastreamento.
Figura 4.9 – Comparação do sistema manual e automático de rastreamento.
Conforme foi citado, a partir do gráfico ficou fácil observar o comportamento da
temperatura no sistema automático de rastreamento em comparação ao manual, pois se
trata de um incremento fundamental para maximizar as eficiências energéticas do
concentrador de calha parabólica, possibilitando aumento apreciável na estabilidade dos
valores, como também aumento nos valores médios de temperatura do fluido que
circula dentro do tubo absorvedor.
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manual Automático
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Tempo (h)
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Os resultados obtidos com o rastreamento automático, para uma Análise mais
ampla, foram comparados com a pesquisa de SRIDHAR et al. (2017), A Figura 4.10
mostra o protótipo desenvolvido pelo autor e seus colaboradores.
Figura 4.10 – Concentrador de calha parabólica.
Fonte: SRIDHAR et al. (2017).
A Tabela 4.6 apresenta as características construtivas do concentrador
desenvolvido pelos pesquisadores.
Tabela 4.6 – Dimensões do concentrador solar
Item Valor
Comprimento do coletor 1,5 m
Distância focal 0,2 m
Ângulo do arco 90º
Abertura da Parábola 0,8 m
Tubo absorvedor 12,5 mm
Fonte: Adaptado de SRIDHAR et al. (2017).
A partir das informações sobre a pesquisa do autor e seus colaboradores, seus
dados de temperatura são mostrados na Tabela 4.7 para comparar as duas pesquisas.
57
Tabela 4.7 - Comparativo de ensaios dos concentradores com rastreamento automático.
AUTORA SRIDHAR et al.
Hora de
medição Tabsorvedor (ºC) Tabsorvedor (ºC)
10:30 150 36
11:00 143 37
11:30 152 39
12:00 146 39
12:30 144 40
13:00 80 41
13:30 141 43
14:00 133 45
14:30 134 45
15:00 131 43
15:30 133 42
16:00 133 40
16:30 40
Média 134,75 37,62
Para melhor observar os resultados das pesquisas um gráfico comparativo
plotado é mostrado na Figura 4.11.
Figura 4.11 – Comparação dos resultados de sistemas automatizados.
Observando o gráfico plotados a partir dos dados dos dois resultados e
comparando-os é possível notar que os comportamentos da curva dos valores de
temperatura apresentam padrão similar. Importante observar que o local da pesquisa é
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SRIDHAR et al. AUTORA
Tem
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ºC
Tempo
58
na Índia. A partir da comparação feita entre as duas pesquisas, pode-se concluir que o
sistema de rastreamento utilizado no protótipo experimental é compatível com sistemas
já desenvolvidos pelo mundo, por tanto é viável seu implemento em pesquisas e no
desenvolvimento de equipamentos que utilizam a radiação solar como fonte alternativa
de energia.
Observando os valores apresentados na Tabela 4.5, na coluna que representa os
dados desta pesquisa, é possível notar um declínio nos valores de temperatura do
protótipo apresentado por este trabalho; evento que comprometeu o desempenho óptico
do concentrador.
Os valores de temperatura mensurados no último ensaio foram comparados aos
valores dos primeiros; que apresentaram valores sempre acima da temperatura de
evaporação da água. Tais eventos podem ser justificados devido ao material utilizado
para compor a superfície refletora da calha parabólica; o alumínio polido, que apesar de
apresentar uma excelente refletividade próxima a do espelho, durante os ensaios foi
perdendo sua capacidade de reflexão, devido a degradação a medida que os testes eram
realizados. Os resultados dos dois testes são apresentados na Tabela 4.8.
Tabela 4.8 – Influência da degradação nos resultados obtidos.
Hora de
medição
Tabs. (ºC)
08/05
Tabs. (ºC)
20/06
Hora de
medição
Tabs. (ºC)
08/05
Tabs. (ºC)
20/06
10:00 31 30 13:10 115 63
10:10 155 67 13:20 113 63
10:20 150 67 13:30 141 68
10:30 150 67 13:40 139 68
10:40 148 65 13:50 131 63
10:50 140 65 14:00 133 53
11:00 143 65 14:10 135 48
11:10 150 63 14:20 134 25
11:20 150 65 14:30 134 70
11:30 152 29 14:40 90 72
11:40 150 67 14:50 133 73
11:50 150 67 15:00 131 73
12:00 146 63 15:10 131 74
12:10 144 63 15:20 131 60
59
Tabela 4.8 – Continuação.
Hora de
medição
Tabs. (ºC)
08/05
Tabs. (ºC)
20/06
Hora de
medição
Tabs. (ºC)
08/05
Tabs. (ºC)
20/06
12:20 145 62 15:30 133 60
12:30 141 60 15:40 130 63
12:40 138 65 15:50 133 48
12:50 90 65 16:00 133 50
13:00 80 64
Médias 131,70 60,89
Para uma melhor visualização do evento ocorrido os dados da Tabela 4.9 foram
plotados no gráfico mostrado na Figura 4.12.
Figura 4.12 – Influência da degradação no sistema.
Observado o comportamento da amplitude dos valores de temperatura é possível
perceber o quanto a perda de refletividade da superfície da calha parabólica prejudica o
desempenho térmico do concentrador e consequentemente as suas eficiências
energéticas. Tal ocorrência demonstra que o material utilizado na superfície precisa ser
reavaliado para sua aplicação em futuras pesquisas.
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08/mai 20/jun
60
Apesar de o protótipo experimental ter atingindo a temperatura proposta, outros
fatores verificados durante os ensaios afetaram a proposta inicial de forma negativa,
sendo a mais relevante é o fato da região Norte, apresentar em Belém/PA uma radiação
diária, média mensal entre 14,2 MJ/m² no mês de fevereiro e 19,9 MJ/m² em agosto,
segundo dados de PEREIRA et al., (2017). A nebulosidade intermitente e frequente
afeta diretamente o concentrador de calha parabólica, que só utiliza a radiação solar
direta, desprezando a difusa e albedo, radiação refletida por objetos.
Neste sentido, as chuvas também representam um fator negativo para o
aproveitamento da radiação solar na região, pois os testes só poderão ser realizados em
dias sem chuva e mesmo assim, alguns testes tiveram que ser interrompidos por causa
da mesma.
Apesar dos fatos negativos ocorridos durante a pesquisa, os valores médios de
temperatura de saída do fluido, atingidas pelo concentrador enquanto a superfície
apresentava bons índices de refletividade, e o rastreamento automatizado atuando no
processo de forma adequada, seus resultados de forma geral proporcionaram atingir o
objetivo esperado. Portanto, alcançando o valor de temperatura da água adequado para
aplicar a técnica de branqueamento do açaí: 80 ºC conforme determinação da ANVISA.
61
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES E SUGESTÕES
5.1 – CONCLUSÕES
Este trabalho propôs a criação de um sistema capaz de transformar energia solar
em energia térmica; através do estudo realizado para dimensionamento, construção com
materiais recicláveis, incremento do rastreamento solar do protótipo experimental e
levantamento da eficiência térmica. Tem-se como conclusão que os objetivos esperados,
foram atingidos, como pode ser percebido após Análise e discursão dos resultados,
como também, mostrando ser possível através do concentrador solar parabólico o
aquecimento de água para ser aplicada a técnica de branqueamento do açaí, o qual
requer uma temperatura de 80 ºC por 10 minutos.
Os materiais reciclados utilizados no protótipo foram adequados e mostraram
bom desempenho, contribuindo para atingir o objetivo principal desta pesquisa, exceto o
alumínio polido que sofreu degradação durante os ensaios. Percebeu-se que o vento
interfere de forma negativa no sistema e o tubo de vidro (sucata de lâmpada
fluorescente) teve um papel fundamental para minimizar esse efeito.
O mecanismo desenvolvido para o rastreamento manual foi eficiente permitindo
a regulagem em um amplo range de valores, de forma a seguir o movimento do sol,
com travamento fácil e seguro na posição adequada.
Este trabalho teve como característica principal a automatização do rastreamento
solar, por um sistema composto de fonte, micro controlador, sensores e atuador, com
programação adequada, de modo a rastrear o Sol em seu movimento aparente diário o
que proporcionou um aumento de temperatura e certa regularidade, mas amplitudes
mensuradas. Pode-se concluir que o protótipo construído atingiu as temperaturas
esperadas, para a aplicação da técnica referida.
O sistema de rastreamento solar desenvolvido neste estudo funcionou conforme
foi projetado, sendo capaz de minimizar os erros de posição que possibilitou atingir os
objetivos esperados. O sistema de controle identificou as ocorrências de tempo
completamente nublado ou céu com poucas nuvens e se posicionou adequadamente
conforme foi programado o sistema lógico de forma hibrida, isto é, por sensores e pelo
ângulo solar.
62
A metodologia para mensurar empiricamente o ganho energético do sistema com
rastreamento automático em relação ao manual foi adequada. Como pode ser observado
pelos resultados obtidos. Mesmo com os eventos negativos percebidos durante os
ensaios é possível implementar o sistema fazendo os ajustes necessários.
Os resultados obtidos neste trabalho experimental possam provocar uma reflexão
quanto à capacidade do uso da energia térmica do sol, que é exemplo concreto quanto à
aplicabilidade da energia solar, o uso do Sol como fonte energética em concentradores
solar, ainda mostra-se com pouca relevância na região Norte, fato este que justifica a
pesquisa e o desenvolvimento de novas tecnologias na área.
5.2 – SUGESTÕES
Devido à grande abrangência do assunto abordado neste estudo, são
apresentadas, a seguir, algumas sugestões para a continuação do presente trabalho:
Realizar os testes durante o ano todo para usa visão mais ampliada das
sazonalidades climáticas da região Norte;
Realizar as leituras de irradiância com instrumento apropriado para mensuras as
eficiências energéticas do concentrador de calha parabólica;
Realizar um estudo térmico para o armazenamento da água aquecida;
Realizar estudo para o material mais adequado para a superfície refletora.
63
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