BACHARELADO INTERDISCIPLINAR EM TECNOCIÊNCIAS
CC: ENERGIA, CONCEITOS E PROCESSOS
DOCENTE: Prof. Dr. Marcos Vinícius Calazans
DISCENTE: Mariene Nunes de Campos
"PROJETO
ENERGIA LIMPA POR COGERAÇÃO FOTOVOLTAICA DE ELETRICIDADE EM CICLO
PERPÉTUO"
RESUMO:
O
desafio de se desenvolver novas tecnologias de geração energética
minimamente impactantes, suficientemente eficientes, que substituam a
queima de combustíveis fósseis, causadores do efeito estufa e gases
poluentes que afetam a saúde humana e dos ecossistemas, é sem
sombra de dúvidas, um dos principais paradigmas, pelos quais a
humanidade tenta equacionar. Nesse sentido, este artigo, consiste no
estudo de viabilidade, calculo da demanda e implementação do
Projeto: Cogerador Termo Solar, que propõe fornecer energia
elétrica, aplicando o princípio de energia limpa, a uma cidade de
10 mil habitantes. O processo CTS, propõe a construção de uma
sistema, combinando a energia térmica do sol para gerar vapor, que
será a força motriz geradora das turbinas que alimentará o sistema
gerador de energia dentro dos parâmetros conceituais dos sistemas
geradores de energia consideradas sustentáveis, por serem
minimamente impactantes.
Palavras
chave: Desenvolvimento conceitual de Cogeração Termo Solar,
energia limpa, alternativas sustentáveis de geração de energia.
1.
INTRODUÇÃO:
A
escassez de fontes não renováveis de energia e seu crescente
aumento de preços acarreta na busca incansável dos pesquisadores de
novas matrizes energéticas. Esta busca se reforça com a constatação
de que a queima de combustíveis fósseis, emitem os GEEs (gases de
efeito estufa), provocadores das
mudanças
climáticas, que a cada ano, se mostram mais evidentes ao analisarmos
os dados científicos de eventos extremos climáticos, como secas
severas, inundações incontroláveis,
nos quatro cantos do planeta. 99% da comunidade científica mundial é
uníssona
emadmitir esta realidade, muito embora haja quem negue, e pensa
tratar-se de balela e falácia. Porém, contra fatos, não há
argumentos, a maioria das nações mundiais assinaram o acordo de
Paris, e se comprometeram a criar e viabilizar soluções voltadas a
diminuir a emissão dos GEEs, se torna lícito e urgente, que
pesquisadores contribuam para minimizar tais efeitos que tendem a
inviabilizar a vida no planeta. Com vistas a propor soluções ao
grande desafio desta presente geração, que o presente estudo de
viabilidade técnica relatado neste artigo visa, responder a
pergunta chave: Esta tal Co-Geração Termo Solar é economica e eco
tecnologicamente
viável?
2.
DESENVOLVIMENTO
2.1
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA:
A energia solar remonta os primórdios onde a luz solar era fonte de energia para fazer fogo e aquecer casas e água. Até que no século XIX, o físico francês Alexandre Edmond Becquerel observou pela primeira vez o efeito fotovoltaico, quando realizava algumas experiências com eletrodos.
Por
longas décadas, a energia solar foi vista como uma tecnologia
futurista, cujo uso se restringiria exclusivamente aos cientistas e
suas pesquisas. Por possuir um alto custo inicial, acreditava-se que
a energia proveniente dos raios solares não chegaria a ser utilizada
de maneira geral.
Ocorreram muitos avanços fotovoltaicos que não só fizeram Albert
Einstein ganhar seu primeiro Prêmio Nobel, no ano de 1923, como
também foram responsáveis pela concretização da energia solar
como uma maneira real de produzir energia limpa.
Em
nossos dias, principalmente nos últimos anos, as vantagens
econômicas envolvendo a energia solar passaram a ter muito peso,
além dos benefícios ao ambiente. O mercado de energia proveniente
do sol também sofreu grandes quedas de preço de equipamentos, o que
resultou em acessibilidade na instalação de sistemas solares pela
população. Com certeza, esses avanços foram muito além do que
Alexandre Edmond, quem criou a energia solar, imaginou enquanto
realizava seus primeiros experimentos com eletrodos.
Ainda
não vivemos no ápice da história da energia solar, porém, os
sistemas solares fotovoltaicos oferecem diversas vantagens e
representam uma excelente alternativa para a geração de energia em
diversos lugares, como comunidades isoladas que, muitas vezes ainda
utilizam o diesel, combustível extremamente poluente, como fonte de
energia ou até mesmo vivem no escuro.
Por sua vez, a energia a vapor, tem uma história bastante pitoresca que vale compilar no presente artigo:
"Heron de Alexandria, grande inventor da antiguidade. Viveu em Alexandria no século I e, hoje, a mais impressionante,foi a eolípila, uma máquina a vapor. A água adicionada à caldeira era aquecida com fogo. O vapor formado na caldeira alimentava a esfera através de um tubo que também servia de eixo. O vapor saia da esfera através de dois tubos curvos localizados em lados diametralmente opostos, gerando movimento. Heron inventou a máquina a vapor mil e setecentos anos antes da Revolução Industrial do século XVIII.
Demorou todo este tempo para que se visse na invenção de Heron um sentido utilitário, ou seja, a força motriz que impulsionou a revolução industrial, que moldou o mundo, inaugurou o antropoceno, permaneceu por séculos, inativa, até que descobriu-se seu caráter utilitário. (BARJA, 2006)."
Diante do exposto acima, o desafio lançado de se produzir energia elétrica de matriz renovável
e limpa, para uma hipotética cidade de 10 mil habitantes, nos fez
pensar em unir os dois princípios, água, sol, calor, vapor, neste experimento conceitual, eis que nos surge a ideia de criar um
combo energético: O princípio termossolar
para aquecer caldeiras, por sua vez geram vapor a força motriz que moverão as
turbinas,
num
ciclo perpétuo
de produção de energia.
Abundante matéria-prima, luz solar e águas
subterrâneas, combinando o que ambas oferecem de melhor como solução
energética para locais distantes neste Brasil profundo.
A demanda energética para uma população de 10 mil habitantes, partindo da informação que 3 megawatts são suficientes para suprir 900 residências, e que estatisticamente, base de cálculo do IBGE, em valores não absolutos, temos que cada residência tenha 4 moradores chegamos a 3 600 moradores.
Num cálculo simples de razão, temos que nossa demanda energética seja de aproximadamente , para mais. posto que, as projeções de crescimento da população, contabilizando também o fornecimento a prédios públicos, escolas, creches, hospitais, dentre outros, chegamos a 9 Megawatts, a quantidade de energia necessária para suprir sem racionamento nossa imaginária cidade, para 10 800 moradores.
2.2 Aspectos Técnicos e de Montagem
O sistema para cogeração de aquecimento de água por energia solar é composto por placas coletoras solares e um reservatório de água com tratamento térmico Boile, assegurando assim que a caldeira possa ser alimentada, durante a noite, quando não houver meios de capitação da luz solar, possa de forma intermitentemente produzir o vapor e por conseguinte energia elétrica.
As placas coletoras são responsáveis pela absorção da radiação solar. A energia térmica absorvida pelas placas é transmitida para a água que circula no interior de suas tubulações de cobre. Ou seja, o reservatório térmico é um recipiente para armazenamento de água
aquecida. São cilindros de cobre ou de aço inoxidável, porém
isolados termicamente com poliuretano sem CFC (Cloro-fluor-carbono),
para diminuir ao máximo as perdas de calor pelo processo de condução
térmica. A
caixa de água fria alimenta o reservatório, mantendo-o sempre
cheio.
A
água circula entre os coletores e o reservatório graças a um
processo chamado de termofissão. Nesse processo, a água dos
coletores, que é mais quente, é menos densa que a água do
reservatório, portanto, a água fria mais densa empurra a água
quente para o reservatório, gerando a circulação.
No mercado existem caldeiras
com capacidade de geração de vapor que vão de uma tonelada de
vapor por hora, até trinta toneladas de vapor por hora, ou seja no
período de uma hora a caldeira tem a capacidade de transformar
30.0000 litros de água do estado liquido para o estado de vapor.
Para
a geração de energia elétrica a partir do vapor termo solar vamos precisar dos
seguintes equipamentos:
-
2 Caldeiras
-
Turbina com redutores
-
Um conjunto gerador
- Reservatórios Boile.
* Podem ser um ou mais painéis, que possuem a função de transformar a radiação solar incidente em energia térmica a uma temperatura de 420 graus Célsius.
Um coisa é certa, quanto
mais energia térmica fornecemos a turbina maior será a quantidade
de energia elétrica obtida. Logo o ideal é que aumentemos a pressão
de trabalho da caldeira e também aumentemos a temperatura o vapor
fazendo com que este passe de vapor saturado para vapor
superaquecido.
2.3. Detalhes de funcionamento
Os coletores solares, serão conectados diretamente ao reservatório Boile, e através de sensores de temperatura, venham a manter a temperatura ideal de 420 graus Célsius, e através de tubulações de tratamento térmico, cobre ou algum outro material a pesquisar, são levadas às caldeiras de produção de vapor, que por sua vez serão conduzidos por pressão até a turbina,fazendo a mesma girar. O conjunto gerador se encarregará do resto do processo,
No
processo de cogeração o vapor superaquecido vai para a turbina a
qual aciona o redutor que por sua vez aciona o gerador produzindo a
energia elétrica.
O
que ocorre dentro de uma turbina de uma termo elétrica ou turbina
para geração de vapor, o vapor entra na turbina no estado de vapor
superaquecido, nestas condições o vapor está a uma alta
temperatura em torno de 420 graus centígrados e é incolor (como o
ar que respiramos).
A
medida que o vapor cede energia para o acionamento da turbina este
vai perdendo pressão e temperatura e vai passando da condição de
superaquecido para a condição de saturado, (vapor saturado é
aquele que podemos visualizar, como uma fumaça branca, tal qual as
nuvens).
O
vapor saturado sairá da turbina a uma pressão e uma temperatura
baixa tendo cedido quase toda a sua energia para fazer com que a
turbina gire acionando o redutor que por sua vez vai acionar o
gerador.
O
vapor que sai da turbina precisará ser resfriado até se transformar
novamente em liquido para voltar a alimentar a caldeira fechando um
ciclo entre a caldeira e a turbina.
Para
que o vapor saturado se transforme em liquido nós temos na saída da
turbina um condensador e um sistema de torres de resfriamento,
necessitando de uma grande quantidade de água para realizar este
trabalho.
No
processo descrito acima, todo o vapor gerado na caldeira foi transformado em
energia elétrica. Desta maneira para gerar 1 MW (mega watt)
necessitamos de aproximadamente 6 tons de vapor. Então, para suprir a demanda energética de nossa cidade, precisamos de 54 toneladas de vapor, ou seja duas caldeiras com capacidade de gerar 30 toneladas cada uma.
Quando
utilizamos vapor no processo,se faz necessário termos no meio da
turbina uma saída de vapor, na pressão e temperatura desejada no
processo, para fazermos a extração do vapor.
EQUAÇÕES:
:As equações podem ser obtidas, à partir do balanço de
massa e energia analisando um determinado volume de controle. Devemos
utilizar todo conhecimento adquirido na Disciplina de Termodinâmica
para esta análise. A equação que define a eficiência
termodinâmica do ciclo consiste na razão entre o trabalho líquido
do sistema e o calor f.
APLICAÇÃO
PARA VOLUME DE CONTROLE:
CICLO
TERMODINÂMICO: O fluído de trabalho num ciclo Rankine ideal segue
um ciclo fechado, e é constantemente reutilizado. O vapor que se
observa em estações de energia vêm do sistema de resfriamento do
condensador, e não do fluído de trabalho.
Ou seja no ciclo Rankine descreve a operação de turbinas a vapor comumente encontrados em estações de produção de energia. Em tais estações, o trabalho é gerado ao se vaporizar e condensar-se alternadamente um fluido de trabalho, no nosso caso, água.
Ciclo Regenerativo: é nomeado desta forma devido ao
fato do fluído ser reaquecido após sair do condensador,
aproveitando parte do calor contido no fluído liberado pela turbina
de alta pressão. Isto aumenta a temperatura média do fluído em
circulação, o que aumenta a eficiência termodinâmica do ciclo.
Entalpia Termo que caracteriza a energia total de um fluido como a água ou o vapor, adquirido segundo a sua pressão e a sua temperatura a um dado momento e em condições precisas. A unidade de medida da energia é o joule (símbolo: J). Já que um joule representa uma pequena quantidade de energia, utiliza-se ge.
Capacidade calorífica É a unidade utilizada para medir a capacidade de uma substância a absorver o calor. Corresponde à quantidade de energia (joules) necessária para aumentar 1 kg de 1 K (Kelvin). A capacidade calorífica específica exprime-se em kJ/kgK. A água tem uma capacidade calorífica específica de 4,186 kJ/kgK. Isto significa que um aumento de entalpia de 4,186 kJ elevará a temperatura de 1 kg de água de 1 K.
"Entalpia específica de água saturada": É representada pelo símbolo "hf". A entalpia suplementar necessária para transformar cada quilograma de água em vapor é designada "entalpia específica de evaporação". É representada pelo símbolo "hfg". A entalpia total de cada quilograma de vapor é por conseguinte a soma destas duas entalpias. É designada "entalpia específica do vapor", representada pelo símbolo "hg".
O resultado: hg = hf + hfg
Volume de vapor Se 1 kg de água (ou seja 1 litro) transformase totalmente em vapor, o resultado obtido será exatamente de 1 kg de vapor. No entanto, o volume por uma dada massa depende da sua pressão. A uma pressão atmosférica, 1 kg de vapor ocupa cerda de 1,673 m3 . Auma pressão de 10 bar abs., este kg de vapor ocupará apenas 0,1943 m3 . O volume de 1 kg de vapor de uma dada pressão designa-se o "volume específico" (símbolo Vg).
VAZÃO DE VAPOR:
Pa = pressão absoluta A natureza do vapor exige que se tomem
determinadas regras em consideração para se poder avaliar
corretamente o tamanho dos tubos do circuito. Assim que o vapor sai
pelo tubo, produz-se uma perda de pressão devido aos atritos sobre
as paredes dos tubos. Para reduzir ao mínimo esta perda e a
degradação que ocasiona, é necessário manter a velocidade do
vapor conforme os seguintes valores:
Tubo de vapor principal : 20 a
40 m/s Tubo de vapor secundário : 15 a 20 m/s Tubo de vapor
utilização : 10 a 15 m/s Tubo condensados : 15 m/s Para calcular a
velocidade do vapor, utiliza-se a seguinte equação:
V Q A = .3600
(m/s) Q = Qm x Vg (m3 /h) V = Velocidade do vapor (m/s) Q = Vazão
volumétrica (m3 /h) Qm = Vazão mássica do vapor (kg/h) Vg = Volume
mássica do vapor (m3 /kg) A = Secção tubo (m2 )
Um sistema de
tubos tendo uma secção de 1 cm² (seja um diâmetro de 12,7 mm),
correspondente a uma pressão de 1 bar relativo, permitirá
transportar 10 kg de vapor por hora a uma velocidade de cerca 25 m/s.
Para garantir o bom funcionamento das válvulas solenoide pilotadas
internamente, é importante conhecer a vazão mássica mínima de
funcionamento da válvula.
O caudal mássico exprime-se em kg/h e
calcula-se a partir da seguinte equação: Qm = Kv x Fg m (kg/h) Kv 3
= coeficiente de vazão (m /h).
3. ORÇAMENTO:
O projeto para ser implantado em sua escala real ou seja ser viabilizado, precisa ainda pensar em termos monetários, qual o mote de investimento. Seria leviano de nossa parte, nesta fase chegar a uma valor para mais ou para menos. O que podemos afirmar, caso seja executado, a relação custo/lucro, pode ser embasada na economia de queima de combustíveis fósseis, ou mesmos a queima de bagaço de cana, madeira, carvão que alimentam as caldeiras das usinas termoelétricas, sempre que há secas e as termo elétricas no Brasil são acionadas, á acrescentada uma taxa extra na fatura de energia de cada brasileiro. Certamente que o uso da energia solar para cogeração seria um fator chave para produzir energia a um baixo custo e limpa.
4. CONCLUSÃO
Podemos concluir que o Sistema Cogerador Termo Solar (CTS), como matriz energética limpa, demanda pesquisas mais efetivas, numa fase seguinte a esta, o desenvolvimento de um protótipo em menor escala para testes e análises de sua funcionalidade e aplicabilidade.
O que podemos certamente acreditar é que a proposta do ponto de vista técnico, científico, é a princípio tremendamente simples e até nos admira que não haja ainda, num mundo eletro dependente, de demandas cada vez maiores por matrizes energéticas cada vez mais eficiente e autossustentáveis.
As vantagens são muitas, matéria
prima de fácil obtenção (luz solar e água), muita energia com pouca massa, propriedades bem
conhecidas e a cerja do bolo: matriz energética de fonte limpa e renovável, de baixíssimo consumo de água., pelo ciclo de rakine.
5. REFERÊNCIAS
http://www.solidda.com.br/componentes-de-uma-geracao-termo#componentes-de-uma-geracao-termo
AZEVEDO, GABRIEL JESUS: A COGERAÇÃO
E SUA INSERÇÃO AO SISTEMA ELÉTRICO
GABRIEL DE JESUS AZEVEDO BARJADISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM CIÊNCIAS MECÂNICAS
PUBLICAÇÃO ENM.DM 100A/06
http://www.inee.org.br/forum_co_geracao.asp
http://www.sathel.com.br/energia-eletrica-e-cogeracao/
6. NOTA DE RESPONSABILIDADE
A autora é a única responsável pelo material impresso incluído neste trabalho.Sendo o mesmo devidamente referenciado.
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