Exergetic, energetic, economic and environmental evaluation of concentrated solar power plants in Libya

The PhD project addresses the potential of using concentrating solar power (CSP) plants as a viable alternative energy producing system in Libya. Exergetic, energetic, economic and environmental analyses are carried out for a particular type of CSP plants. The study, although it aims a particular type of CSP plant – 50 MW parabolic trough-CSP plant, it is sufficiently general to be applied to other configurations. The novelty of the study, in addition to modeling and analyzing the selected configuration, lies in the use of a state-of-the-art exergetic analysis combined with the Life Cycle Assessment (LCA). The modeling and simulation of the plant is carried out in chapter three and they are conducted into two parts, namely: power cycle and solar field. The computer model developed for the analysis of the plant is based on algebraic equations describing the power cycle and the solar field. The model was solved using the Engineering Equation Solver (EES) software; and is designed to define the properties at each state point of the plant and then, sequentially, to determine energy, efficiency and irreversibility for each component. The developed model has the potential of using in the preliminary design of CSPs and, in particular, for the configuration of the solar field based on existing commercial plants. Moreover, it has the ability of analyzing the energetic, economic and environmental feasibility of using CSPs in different regions of the world, which is illustrated for the Libyan region in this study. The overall feasibility scenario is completed through an hourly analysis on an annual basis in chapter Four. This analysis allows the comparison of different systems and, eventually, a particular selection, and it includes both the economic and energetic components using the “greenius” software. The analysis also examined the impact of project financing and incentives on the cost of energy. The main technological finding of this analysis is higher performance and lower levelized cost of electricity (LCE) for Libya as compared to Southern Europe (Spain). Therefore, Libya has the potential of becoming attractive for the establishment of CSPs in its territory and, in this way, to facilitate the target of several European initiatives that aim to import electricity generated by renewable sources from North African and Middle East countries. The analysis is presented a brief review of the current cost of energy and the potential of reducing the cost from parabolic trough- CSP plant. Exergetic and environmental life cycle assessment analyses are conducted for the selected plant in chapter Five; the objectives are 1) to assess the environmental impact and cost, in terms of exergy of the life cycle of the plant; 2) to find out the points of weakness in terms of irreversibility of the process; and 3) to verify whether solar power plants can reduce environmental impact and the cost of electricity generation by comparing them with fossil fuel plants, in particular, Natural Gas Combined Cycle (NGCC) plant and oil thermal power plant. The analysis also targets a thermoeconomic analysis using the specific exergy costing (SPECO) method to evaluate the level of the cost caused by exergy destruction. The main technological findings are that the most important contribution impact lies with the solar field, which reports a value of 79%; and the materials with the vi highest impact are: steel (47%), molten salt (25%) and synthetic oil (21%). The “Human Health” damage category presents the highest impact (69%) followed by the “Resource” damage category (24%). In addition, the highest exergy demand is linked to the steel (47%); and there is a considerable exergetic demand related to the molten salt and synthetic oil with values of 25% and 19%, respectively. Finally, in the comparison with fossil fuel power plants (NGCC and Oil), the CSP plant presents the lowest environmental impact, while the worst environmental performance is reported to the oil power plant followed by NGCC plant. The solar field presents the largest value of cost rate, where the boiler is a component with the highest cost rate among the power cycle components. The thermal storage allows the CSP plants to overcome solar irradiation transients, to respond to electricity demand independent of weather conditions, and to extend electricity production beyond the availability of daylight. Numerical analysis of the thermal transient response of a thermocline storage tank is carried out for the charging phase. The system of equations describing the numerical model is solved by using time-implicit and space-backward finite differences and which encoded within the Matlab environment. The analysis presented the following findings: the predictions agree well with the experiments for the time evolution of the thermocline region, particularly for the regions away from the top-inlet. The deviations observed in the near-region of the inlet are most likely due to the high-level of turbulence in this region due to the localized level of mixing resulting; a simple analytical model to take into consideration this increased turbulence level was developed and it leads to some improvement of the predictions; this approach requires practically no additional computational effort and it relates the effective thermal diffusivity to the mean effective velocity of the fluid at each particular height of the system. Altogether the study indicates that the selected parabolic trough-CSP plant has the edge over alternative competing technologies for locations where DNI is high and where land usage is not an issue, such as the shoreline of Libya.

Análise comparativa de um sistema de refrigeração solar

Nesta dissertação são comparadas duas tecnologias de refrigeração. Uma tecnolo-gia é um sistema que usa a energia elétrica para fazer funcionar um ciclo de com-pressão de vapor, sistema comum em instalações de refrigeração. A outra solução é um sistema de absorção, em que a energia necessária para o funcionamento do sistema é energia térmica obtida através de coletores solares térmicos. Estas tecnologias são estudadas e comparadas para a refrigeração de um arma-zém de produtos agrícolas à temperatura constante de 5ºC para a região de Alque-va, região onde estão a ser desenvolvidos projetos hortofrutícolas a que estão as-sociadas necessidades de preservação dos produtos que envolvem refrigeração e em que a acessibilidade à rede elétrica é reduzida. É mostrado que a tecnologia do sistema de absorção com os coletores se apresenta a médio prazo mais vantajosa em termos económicos e ambientais; Abstract: Comparative analysis of a solar refrigeration system In this dissertation two refrigeration technologies are compared when used for the same objective. One is a technology using the electric energy to operate a vapour compression cycle, commonly used in refrigerated installations. The alternative technology is an absorption system driven by thermal energy, provided by solar thermal collectors. Both technologies are studied and compared for the refrigeration of an agricultural products warehouse at a constant temperature of 5ºC in the Alqueva region, where horticultural projects are being developed with associated needs of preservation of the products involving refrigeration, and where accessibility to the electrical grid is reduced. In the referred conditions it was shown that the absorption technology with collec-tors in the medium term surpasses the usual compression system, both from eco-nomic and environmental viewpoints.

Exergy analysis of a solar photovoltaic module

PV energy is the direct conversion of solar radiation into electricity. In this paper, an analysis of the influence of parameters such as global irradiance or temperature in the performance of a PV installation has been carried out. A PV module was installed in a building at the University of Málaga, and these parameters were experimentally determined for different days and different conditions of irradiance and temperature. Moreover, IV curves were obtained under these conditions to know the open-circuit voltage and the short-circuit current of the module. With this information, and using the first law of thermodynamics, an energy analysis was performed to determine the energy efficiency of the installation. Similarly, using the second law of thermodynamics, an exergy analysis is used to obtain the exergy efficiency. The results show that the energy efficiency varies between 10% and 12% and the exergy efficiency between 14% and 17%. It was concluded that the exergy analysis is more suitable for studying the performance, and that only electric exergy must be considered as useful exergy. This exergy efficiency can be improved if heat is removed from the PV module surface, and an optimal temperature is reached.

Tratamento de dados associados com a radiação solar fornecidos pelo Instituto Português do Mar e da Atmosfera, Madeira

Este relatório técnico tem como objetivo descrever o modo como os registos das amostras de dados, i.e., medições das grandezas meteorológicas fornecidas pelo Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA), ilha da Madeira, foram tratadas. Foram utilizados registos de oito estações meteorológicas distribuídas pela ilha. No relatório técnico estão descritos os processos de filtragem das medições de radiação solar global e radiação solar difusa, de temperatura máxima e mínima do ar, a correção da radiação solar difusa, o preenchimento de lacunas nas medições e a dimensão da amostra de dados utilizada em cada estação. Este relatório também descreve os métodos utilizados para preencher as lacunas nas séries de dados originais, bem como os métodos utilizados na construção do ano médio e do ano meteorológico típico. O ano meteorológico típico será posteriormente usado na simulação da produção de energia solar através de sistemas fotovoltaicos instalados na ilha da Madeira.

Energias renováveis : riqueza sustentável ao alcance da sociedade

O décimo volume dos Cadernos de Altos Estudos apresenta estudo realizado com o objetivo de propor aprimoramentos na legislação brasileira, visando a superação de barreiras e a criação de mecanismos de incentivo que contribuam para a utilização das fontes renováveis de energia de maneira diversificada e sustentável, valorizando as potencialidades regionais, o desenvolvimento tecnológico e a geração de empregos. Para tanto, procurou-se examinar as tecnologias disponíveis, as políticas adotadas internacionalmente e os resultados obtidos, bem como a situação dessas fontes no Brasil e as normas jurídicas que disciplinam seu aproveitamento. Para subsidiar os trabalhos, o Conselho de Altos Estudos e Avaliação Tecnológica realizou palestras com especialistas do setor energético e promoveu um seminário internacional. Além disso, apoiou o Fórum sobre Energias Renováveis e Consumo Responsável (IV Sustentar 2011), em Chapecó, Santa Catarina.

Análise da aplicação do regulamento técnico da qualidade do nível de eficiência energética no prédio do IBAM

A racionalização do uso da energia elétrica nas edificações é um assunto atual e de grande importância face ao grande impacto ambiental produzido. O consumo de energia elétrica no Brasil nas edificações residenciais, comerciais, de serviços e públicas é bastante significativo. Calcula-se que quase 50% da energia elétrica produzida no país seja consumida não só na operação e manutenção das edificações como também nos sistemas artificiais, que proporcionam conforto ambiental para seus usuários como iluminação, climatização e aquecimento de água. O Regulamento Técnico de Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais e Serviços e Públicos, RQT-C do INMETRO surge como uma contribuição à etiquetagem do nível de eficiência energética das edificações de uso coletivo. Para a determinação da eficiência são considerados três requisitos: envoltória da edificação, sistema de iluminação e sistema de condicionamento de ar. Todos os requisitos têm cinco níveis de eficiência que variam de A (mais eficiente) até E (menos eficiente), que associados com algumas bonificações (uso da energia solar, ventilação natural, etc.) tornam possível a atribuição de uma classificação geral para o edifício em seu todo. Neste trabalho objetivou-se avaliar esse desempenho energético para o prédio do Instituto Brasileiro de Adminstração Municipal -IBAM, situado na cidade do Rio de Janeiro, de concepção modernista. Foi mostrado como as decisões arquitetônicas tomadas e o uso da ventilação natural podem influenciar na avaliação de sua eficiência energética.

Aspectos práticos da suplementação alimentar de bovinos de corte.

Para ser competitiva, a bovinocultura de corte tropical precisa explorar melhor o pasto, corrigindo, quando necessário, possíveis deficiências nutricionais, isto com muito critério e dentro de uma meta de produção bem estabelecida. Nos trópicos, ao contrário dos países de clima temperado, é possível manter os bovinos em pastejo durante todo o ano, maximizando o conceito do ?boi verde? e preservando as características digestivas do animal ruminante. Tal conceito envolve inúmeros fatores: a energia solar (luz e calor), a planta forrageira (componente sintetizador das substâncias orgânicas via fotossíntese), os bovinos (componente transformador da matéria vegetal em carne/leite por fermentação ruminal), o solo (componente sustentador e fornecedor de elementos nutritivos), a umidade (fornecedora de água) e o ar (fonte contínua de CO2, O2, e N2). Executar uma pecuária precoce, mas racional, é alcançar o equilíbrio biológico entre todos esses componentes, de forma a assegurar sua sustentabilidade. Nesta publicação discutirem-se e sugerem-se medidas corretivas nos pontos de desequilíbrio dos sistemas de produção de carne em pasto, visando a uma pecuária de ciclo curto. Hoje, precocidade é uma demanda de mercado e se o Brasil pretende ampliar e manter sua presença nele, é necessário melhorar o manejo alimentar do seu rebanho.

Análisis integrado del consumo de bienes ecológicos y económicos en ecosistemas agrícolas pampeanos : el uso de la emergía como indicador sistémico de sustentabilidad

Los ecosistemas agrícolas de la Región Pampeana Argentina (RPA) atravesaron en las últimas décadas cambios asociados a procesos de expansión geográfica e intensificación productiva. En este trabajo se estudió el funcionamiento de ecosistemas agrícolas pampeanos mediante la síntesis emergética (de emergía). Este acercamiento analítico evalúa conjuntamente el consumo de bienes y servicios ecológicos y económicos, en una moneda común (emergía) que es la cantidad de energía solar necesaria para obtener todos y cada uno de los recursos intervinientes en el proceso de producción (naturales y comprados en el sistema económico). Este marco de análisis novedoso para el estudio de los ecosistemas agrícolas fue aplicado en la evaluación del desempeño de la rotación maiz-trigo/soja en tres ecosistemas agrícolas, Pergamino (BA), Marcos Juárez (CBA) y Montecristo (CBA), ubicados en la RPA en el período 2006-2010. Posteriormente, a partir de una base de información más extensa en el sitio Marcos Juárez, se amplió el rango temporal del estudió al intervalo 1984-2010, y a escala de cultivo individual en lugar de rotación agrícola, con el objeto de detectar tendencias históricas en los indicadores emergéticos. Los resultados del análisis a nivel de rotación mostraron que los ecosistemas evaluados fueron capaces de duplicar la emergía capturada de los recursos locales a partir del agregado de emergía externa comprada (EYR entre 2 y 2.19). También se determinó que el funcionamiento de dichos ecosistemas estuvo basado en una proporción levemente superior sobre insumos externos que sobre recursos provenientes locales propios del ecosistema (EIR entre 1.01 y 1.16). Sin embargo, los ecosistemas estudiados demostraron tener una habilidad para capturar recursos provenientes de la naturaleza proporcionalmente mayor a la presión ejercida sobre el ambiente a través del proceso productivo (ESI entre 1.99 y 2.45). Los valores obtenidos ubican a los ecosistemas agrícolas de la RPA, entre los de mayor eficiencia y renovabilidad en el contexto mundial de la producción agrícola extensiva. La mayor extensión de este análisis en un contexto histórico permitió identificar tres fases de cambio en los indicadores emergéticos en cuanto a la eficiencia del uso de la emergía y su renovabilidad: una fase de mejora (1984-1995), seguida por una fase de disminución (1996-2001), y una fase final de disminución; pero a tasas menores (2002-2010). Los cambios más importantes asociados al consumo de emergía estuvieron explicadas por la adopción de nuevas tecnologías productivas como la introducción de la siembra directa o el uso de semillas transgénicas. Si bien, la moderación en la caída de los índices en la ultima fase identificada (2002-2010) es un síntoma alentador en términos del grado de explotación ambiental de los ecosistemas estudiados, será necesario que futuros aumentos en el consumo de emergía comprada (e.g. insumos o servicios) estén asociados a retornos más que proporcionales en la captura de la emergía local de fuente renovable. La excepción al patrón de tres fases descripto anteriormente, fue la eficiencia de conversión de la emergía a grano (i.e. la inversa de la transformidad), que exhibió un aumentó consistentemente en el período 1984-2010. Este aumento de la eficiencia (medida en emergía requerida para obtener una unidad de energía cosechada) fue observada a pesar del aumento del flujo de insumos comprados, en el mismo período, lo que esta indicando que a través del tiempo, fue posible cosechar valores crecientes de energía por cada unidad de emergía invertida. La aplicación del análisis de los flujos de emergía resultó util para detectar cambios en los sistemas estudiados. Sin embargo, los resultados obtenidos indicarían que la fortaleza del metodo reside en el monitoreo de cambios a escalas temporales y espaciales mayores a las estudiadas en este trabajo. De este modo, sería posible aumentar la eficiencia de detección de diferencias en el uso de emergía si se analizaran patrones regionales de uso de la tierra, donde los sistemas de producción maximicen los contrastes, tanto en en el consumo de bienes ecológicos (oferta ambiental) como económicos (sistemas de producción contrastantes)

Un método para estimar la radiación global con la amplitud térmica y la precipitación diarias

p.51-56

Células solares de Cu2ZnSnS4 por sulfurização de camadas metálicas

As energias renováveis têm estado em destaque desde o fi nal do século XX. São vários os motivos para que isto esteja a acontecer. As previsões apontam para problemas de depleção das reservas de combustíveis fósseis, nomeadamente o petróleo e gás natural, durante o presente século. O carvão, ainda abundante, apresenta problemas ambientais signi cativos. Os perigos associados à energia nuclear estão fazer com que os governos de vários países repensem as suas políticas energéticas . Todas estas tecnologias têm fortes impactos ambientais. Considerando o conjunto das energias renováveis, a energia solar fotovoltaica tem ainda um peso menor no panorama da produção energética actual. A explicação para este facto deve-se ao custo, ainda elevado, dos sistemas fotovoltaicos. Várias iniciativas governamentais estão em curso, a SET for 2020 (UE) e a Sunshot (EUA), para o desenvolvimento de tecnologias que façam frente a este problema. A fatia de mercado que a tecnologia de filmes fi nos representa ainda é pequena, mas tem vindo a aumentar nos últimos anos. As vantagens relativamente à tecnologia tradicional baseada em Si são várias, como por ex. os custos energéticos e materiais para a fabricação das células. Esta dissertação apresenta um processo de fabricação de células solares em fi lmes finos usando como camada absorvente um novo composto semicondutor, o Cu2ZnSnS4, que apresenta como grande argumento, relativamente aos seus predecessores, o facto de ser constituído por elementos abundantes e de toxicidade reduzidas. Foi realizado um estudo sobre as condições termodinâmicas de crescimento deste composto, bem como a sua caracterização e das células solares finais. Este trabalho inclui um estudo dos compostos ternários, CuxSnSx+1 e compostos binários SnxSy, justi cado pelo facto de surgirem como fases secundárias no crescimento do Cu2ZnSnS4. Em seguida são descritos resumidamente os vários capítulos que constituem esta tese. No capítulo 1 é abordada de forma resumida a motivação e o enquadramento da tecnologia no panorama energético global. A estrutura da célula solar adoptada neste trabalho é também descrita. O capítulo 2 é reservado para uma descrição mais detalhada do composto Cu2ZnSnS4, nomeadamente as propriedades estruturais e opto-electrónicas. Estas últimas são usadas para explicar as composições não estequiométricas aplicadas no crescimento deste composto. São também descritas as várias técnicas de crescimento apresentadas na literatura. A última secção deste capítulo apresenta os resultados da caracterização publicados pelos vários grupos que estudam este composto. O método que foi implementado para crescer a camada absorvente, bem como os efeitos que a variação dos vários parâmetros têm neste processo são abordados no capítulo 3. Neste é também incluída uma descrição detalhada dos equipamentos usados na caraterização da camada absorvente e das células solares finais. As fases calcogêneas binária e ternárias são estudadas no capítulo 4. É apresentada uma descrição do método de crescimento, quer para as fases do tipo CuxSnSx+1, quer para as fases do tipo SnxSy e a sua caracterização básica, nomeadamente a sua composição e as propriedades estruturais, ópticas e eléctricas. No caso dos compostos binários são também apresentados os resultados de uma célula solar. No capítulo 5 são reportados os resultados da caracterização dos fi lmes de Cu2ZnSnS4. Técnicas como a dispersão Raman, a fotoluminescência, a efi ciência quântica externa e a espectroscopia de admitância são usadas para analisar as propriedades quer da camada absorvente quer da célula solar. No capítulo 6 é apresentada uma conclusão geral do trabalho desenvolvido e são referidas sugestões para melhorar e complementar os estudos feitos.

A utilização de sistemas solares térmicos nas unidades hoteleiras de 3 estrelas do Algarve

A região do Algarve é uma das regiões da União Europeia com maior potencialidade no aproveitamento da energia solar nomeadamente através da utilização de sistemas solares térmicos para aquecimento de água. A tecnologia utilizada nestes sistemas é relativamente simples e bem conhecida mas infelizmente verifica-se que, por diversas razões, nem sempre é aplicada. A alternativa, é a utilização de sistemas de aquecimento de água que utilizam combustíveis fósseis, quer de forma directa, como por exemplo através da queima de um combustível (gasóleo, gás propano, etc), ou de forma indirecta, através da electricidade. A utilização de combustíveis fósseis esta na origem de um dos maiores problemas ambientais da nossa época, o aquecimento global. Além disso, dependendo do tipo de combustível e da

Instalações solares térmicas em edifícios de habitação colectiva: estudo de soluções alternativas num caso prático

Se considerarmos todos os edifícios do mundo, estes são responsáveis por uns surpreendentes 40% do consumo global de energia e pela resultante pegada ecológica, ultrapassando significativamente os resultados de todos os meios de transporte em conjunto. Existem grandes e atractivas oportunidades de redução da utilização de energia nos edifícios com menores custos e maiores retornos que noutros sectores. Estas reduções são fundamentais para alcançar o objectivo da Agência Internacional de Energia (AIE), de reduzir em cerca de 70% das emissões de gases com efeito de estufa, de todo o planeta em 2050, isto para atingir os níveis de CO2 estabelecidos e exigidos pelo Painel Intergovernamental sobre as Alterações Climáticas (IPCC, na sigla inglesa). No caso dos edifícios de habitação, a produção de água quente (AQS), é o segundo maior factor de consumo de energia: cerca de 30% do consumo energético total. Para ajudar a minimizar todos estes grandes consumos de energia, existem soluções, nomeadamente para o aquecimento da AQS, que podemos aplicar nos edifícios de habitação colectiva (multifamiliares) ou moradias, utilizando fontes de energia renovável. E neste caso estamos a falar da energia solar térmica. Das várias soluções propostas e utilizadas diariamente, principalmente nos edifícios de habitação colectiva, existirá aquela que, do ponto de vista técnico-económico, numa perspectiva de eficiência energética/custo-benefício, se antevê como a melhor solução, uma vez que é frequente que não se tenha conhecimento de causa sobre cada uma delas. A presente tese baseia-se na análise de várias soluções de sistemas de energia solar térmica para o aquecimento de AQS em edifícios de habitação colectiva, com o objectivo de analisar e comparar as várias soluções. Espera-se contribuir para a clarificação dos vários sistemas utilizados e propostos actualmente no mercado

Introdução a novos processos de produção de energias renováveis no ensino secundário : célula fotovoltaica orgânica e pilha de combustível

Dissertação de Mestrado, Física para Ensino, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2004

Estudo de novos sistemas de ventilação mais ecológicos: personalizada e condutos verticais

Dissertação de mestrado, Engenharia do Ambiente, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Relatório de atividade profissional

Dissertação de mestrado, Energia e Climatização de Edifícios, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2015