Análise térmica de um motor Stirling movido à energia solar: um estudo de caso para a cidade de São Mateus-ES

Abstract

RESUMO: O motor Stirling movido à energia solar, para conversão térmica em eletricidade, é uma das soluções existentes entre as tecnologias renováveis para reduzir a dependência de combustíveis fósseis. Apesar das inúmeras vantagens, o bom desempenho do sistema Dish-Stirling está diretamente ligado às condições climáticas do local em que se pretende instalar tal sistema. Este projeto apresenta a modelagem e simulação de um sistema Dish-Stirling trabalhando com um receptor DIR (receptor de iluminação direta) e a modelagem de Schmidt, utilizando o software EES®. É verificado o comportamento desse sistema para as condições climáticas de São Mateus, um município do interior do estado do Espírito Santo/Brasil. O modelo matemático permite determinar a influência dos parâmetros do concentrador na eficiência geral do sistema. No sistema concentrador-receptor, os processos ópticos geométricos e de transferência de calor são modelados e permitem determinar parâmetros como: temperatura ótima de operação do receptor, perdas de calor no receptor, eficiência do receptor, eficiência térmica geral e energia elétrica gerada pelo sistema. Tal modelagem descrita neste projeto permite, também, desenvolver análise de parâmetros, como: irradiação solar, diâmetro do coletor e velocidade do vento. Por meio dos resultados obtidos para potência elétrica de saída, temperatura da cavidade do receptor, velocidade do vento e irradiância, verificou-se que as condições climáticas influenciam na máxima potência elétrica de saída. Além disso, foi observado perdas significativas por convecção natural no receptor, representando até 43,96 % das perdas totais e perdas por convecção forçada representando 52,37 % das perdas totais, ambas a uma temperatura de 1100 K. Considerando o mês de dezembro do ano de 2020, a potência elétrica de saída é máxima, cerca de 14912 W, a uma temperatura de operação de 1100 K. Na modelagem de Schmidt, foi observado que o diagrama PV do motor varia, entre 0,1 a 4,2 %, conforme a temperatura de expansão para os meses analisados. O modelo apresenta resultados consistentes com a literatura e mostra que é necessário otimizar o sistema para redução das perdas por convecção para São Mateus.

ABSTRACT: The solar powered Stirling engine, for thermal conversion into electricity, is one of the existent solutions among renewable technologies to reduce dependence on fossil fuels. Despite the numerous advantages, the good performance of the Dish-Stirling system is directly linked to the climatic conditions of the place where the system is to be installed. This project presents the modeling and simulation of a Dish-Stirling system working with a DIR receiver (direct illumination receiver) and the Schmidt modeling, using the EES® software. The behavior of this system for the climatic conditions of São Mateus, a municipality in the interior of the state of Espírito Santo/Brazil, is verified. The mathematical model allows determining the influence of concentrator parameters on the overall efficiency of the system. In the concentrator-receiver system, the geometric and heat transfer optical processes are modeled and allow determining parameters such as: optimal receiver operating temperature, receiver heat losses, receiver efficiency, general thermal efficiency and electrical energy generated by the system. Such modeling described in this project also allows the development of parametric analysis, such as: solar irradiation, collector diameter and wind speed. Through the results obtained for electrical output power, temperature of the receiver cavity, wind speed and irradiance, it was found that weather conditions influence the maximum electrical output power. In addition, significant losses by natural convection in the receiver were observed, representing up to 43.96% of the total losses and losses by forced convection representing 52.37% of the total losses, both at a temperature of 1100 K. Considering the month of December of the year 2020, the electrical output power is maximum, about 14912 W, at an operating temperature of 1100 K. In the Schmidt modeling, it was observed that the PV diagram of the motor varies, between 0.1 and 4.2 %, according to the expansion temperature for the months analyzed. The model presents results consistent with the literature and shows that it is necessary to optimize the system to reduce convection losses to São Mateus.