Metodologia para simulação transiente de uma pequena central heliotérmica

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010As últimas etapas da geração de eletricidade por tecnologias de energia solar concentrada são semelhantes aos processos convencionais de geração termoelétrica, uma vez que se utiliza também vapor ou gás para a movimentação de turbinas ou pistões. A diferença fundamental reside no fato de que se gera o vapor ou o gás aquecido a partir de radiação solar em vez de combustíveis fósseis ou energia nuclear. O menor custo para a eletricidade gerada com energia solar tem sido obtido através de usinas de grande escala baseadas nesse conceito, conhecidas como centrais heliotérmicas. Simulações de computador representam uma opção de baixo custo para o projeto de sistemas térmicos. O presente estudo tem o objetivo de desenvolver uma metodologia para a simulação transiente de uma central heliotérmica de micro escala (120 kWe) que seja adequada em termos de precisão e esforço computacional. A planta considerada opera opcionalmente com cogeração de potência elétrica e água gelada, empregando calhas parabólicas para a captação da radiação solar, um ciclo de Rankine orgânico para a geração de energia elétrica e um ciclo de refrigeração por absorção para a produção de água gelada. O ciclo de Rankine orgânico é interessante por proporcionar uma planta de estrutura relativamente simples e com operação automatizada. A metodologia proposta neste estudo é implementada no software de simulação TRNSYS com novos módulos (TYPEs) desenvolvidos para o campo de coletores e para os ciclos térmicos. O módulo do campo de calhas parabólicas é baseado em uma curva de eficiência experimental para o coletor solar. No caso do ciclo de Rankine e do ciclo de absorção, os módulos são baseados em polinômios de desempenho gerados no software EES a partir de modelos termodinâmicos detalhados, os quais são calibrados com dados de desempenho dos fabricantes. Distintas configurações para a planta são consideradas. Um algoritmo de otimização é usado para a busca de um ponto ótimo de operação em cada caso. Resultados são apresentados para os municípios brasileiros de Fortaleza, Petrolina e Bom Jesus da Lapa, sendo que o último oferece o melhor desempenho global para a planta. Uma análise da influência do armazenamento térmico sobre a eficiência e o fator de capacidade anuais mostra tendências semelhantes aos resultados encontrados na literatura. Uma análise com o ciclo de absorção demonstra a inviabilidade de aproveitamento do calor residual do condensador do ciclo de Rankine para a produção de água gelada. A simulação da planta revela-se numericamente estável, sendo adequada para a análise do comportamento dinâmico e do desempenho de longo prazo de uma central heliotérmica de micro escala.The final steps of generating electricity from concentrated solar power (CSP) technologies are similar to conventional thermal processes, since steam or gas is also employed for moving turbines or pistons. The fundamental difference lies on the fact that steam or hot gas is generated by solar radiation instead of fossil fuels or nuclear heat. The cheapest electricity generated from solar energy has been achieved with large-scale power stations based on this concept. Computer simulations represent a low-cost option for the design of thermal systems. The present study aims to develop a methodology for the transient simulation of a micro-scale solar-thermal power plant (120 kWe) which should be appropriate in terms of accuracy and computational effort. The facility considered can optionally operate as a cogeneration plant producing electric power as well as chilled water. Solar radiation is collected by parabolic troughs, electricity is generated by an organic Rankine cycle (ORC) and chilled water is produced by an absorption cooling cycle. The organic Rankine cycle is of interest because it allows for a plant with relatively simple structure and automated operation. The simulation methodology proposed in this study is implemented in TRNSYS with new components (TYPEs) developed for the solar field and thermal cycles. The parabolic trough field component is based on an experimental efficiency curve of the solar collector. In the case of the Rankine and absorption cycles, the components are based on performance polynomials generated with EES from detailed thermodynamic models, which are calibrated with performance data from manufacturers. Distinct plant configurations are considered. An optimization algorithm is used for searching the best operating point in each case. Results are presented for the following Brazilian sites: Fortaleza, Petrolina and Bom Jesus da Lapa. The latter offers the highest global plant performance. An analysis about the influence of the thermal storage on the annual efficiency and capacity factor shows trends that are similar to results found in literature. An analysis with the absorption cycle demonstrates that it is not feasible to recover waste heat from the Rankine cycle condenser in order to produce chilled water. The simulation of the facility proves to be numerically stable and appropriate for analyzing the dynamic behavior and the long-term performance of a micro-scale solar-thermal power plant