Desenvolvimento de um concentrador solar com sistema de seguimento

Dissertação de mestrado em Engenharia Mecânica

A energia solar é uma fonte de energia que, desde os primórdios da civilização humana, suscitou grande interesse levando ao desenvolvimento de diversas tecnologias que permitissem o seu aproveitamento. Devido aos problemas energéticos que a sociedade tem enfrentado, a necessidade de desenvolver tecnologias que permitissem o aumento da eficiência dos sistemas solares tornou-se preponderante. A concentração solar é uma tecnologia estudada e aplicada há séculos, pelo facto de ser capaz de concentrar toda a energia solar, captada pelo coletor, num foco, levando a um aumento significativo da intensidade energética. O recetor, posicionado no foco do concentrador, utiliza a energia captada para produção de energia elétrica através de um motor Stirling, por exemplo, ou para produção de energia térmica, através do aquecimento de um fluido que pode ser aplicado num ciclo térmico. A eficiência dos concentradores solares pode ser melhorada com a aplicação de um seguidor solar a dois eixos, que permite um aumento significativo da energia captada pelo sistema. Assim, através da junção destas duas tecnologias, é possível obter um sistema económico que poderá contribuir para a diminuição do consumo energético através de vias não renováveis. A importância e o interesse desta tecnologia levou ao desenvolvimento desta Dissertação, cujo objetivo principal consiste no projeto e construção de um concentrador solar com sistema de seguimento, sendo que este sistema deverá ser fiável, económico e robusto. As etapas do projeto são, inicialmente, a definição das condições de trabalho do sistema, a seleção dos componentes de controlo e o estudo da eficiência do sistema. Finalizada a primeira etapa seguese a programação e construção do sistema de controlo e posteriormente o projeto e construção da estrutura de suporte do sistema de seguimento. Por forma a garantir a viabilidade do projeto é efetuada a modelação ótica e térmica do concentrador solar, seguida da construção e instalação do mesmo. Todo este procedimento é acompanhado por ensaios experimentais, que têm como objetivo provar as mais-valias deste conceito e ainda assegurar o seu bom funcionamento. A validação experimental permitiu concluir que, a aplicação de um sistema de orientação ao concentrador é preponderante, sendo que um mínimo desfasamento da radiação solar pode levar a perdas de eficiência do sistema bastante significativas. Por outro lado, constata-se que são diversos os fatores externos que podem afetar os resultados obtidos, destacam-se assim as propriedades óticas e geométricas do coletor, a absortividade e posicionamento do recetor, assim como as condições atmosféricas (essencialmente a velocidade do vento e as nuvens).

Solar Energy has been, since the beginning of human civilization, a source of energy that raised considerable interest, and the technology used for their exploitation has developed constantly. Due to the energy problems that society has been facing, the development of technology to increase the efficiency of solar systems is of paramount importance. The solar concentration is a technology that has been used for many years by the scientist, because this system enables the solar energy to concentrate in a focus, thus allowing a significant increase in energy intensity. The receiver, placed at the focus of the concentrator, can use the stored energy to produce electrical energy through Stirling engine, for example, or to produce thermal energy by heating a fluid that can be used in a thermal cycle. The efficiency of solar concentrators can be increased with the addiction of a dual axis solar track system which allows a significant increase in the amount of stored energy. Thus, with the union of these two technologies it is possible to obtain an economic system that will reduce energy consumption values by non-renewable sources. The relevance of this type of technology led to the development of this thesis, whose principal aim is the design and construction of a solar concentrator with a tracker system that is intended to be stiff, economic and reliable. The stages of this project are primarily the definition of working condition of the system, the selection of the components of the control and performance system. Once these first steps are accomplished, follows the programming and construction of the control mechanism for the tracker system, and thereafter the project and construction of its mechanical structure. Furthermore, this work focuses on the presentation of the optical and thermal modeling of the solar concentrator followed by the construction and installation of the system. This whole procedure is accompanied by tests to prove the concept of this technology and ensure their proper operation. The experimental validation allows to conclude that the application of a tracking system to the concentrator is very importante since that a minimum delay of the solar radiation leads to important losses of efficiency of the system. On the other hand, it is found that the external factores can affect the final results, thus include the optical and geometrical properties of the collector, the absortivity and the position of the receiver as well as the weather conditions (essentially the wind speed and clouds).