DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE CARACTERIZAÇÃO DE UM COLETOR SOLAR DE ABSORÇÃO DIRETA EM ESCALA LABORATORIAL

Resumo

O Atlas Eólico e Solar de Pernambuco mostra uma análise geral do potencial de geração de fontes eólicas e solares do referido estado, e segundo ele o estado contém altos níveis de vento e de radiação solar, sendo um grande potencial energético solar e eólico, tornando sua exploração em um desenvolvimento sustentável (AESP, 2017). De acordo com essa informação, pode-se explorar essa energia solar, utilizando-se de Coletores Solares Térmicos (CST), que são dispositivos que absorvem e transferem a energia da radiação solar para ser aproveitado em diversas aplicações, incluindo aquecimento de fluidos, secagem, cozimento, etc. Um dos vários tipos de CST, é o Coletor Solar de Absorção Direta, no qual o fluido absorve diretamente a radiação solar (AHMED, 2016). No tocante a esse tipo de coletor, para haver absorção de energia solar de forma eficiente, o fluido deve mostrar valores elevados de condutividade térmica e capacidade calorífica, e para isso, a utilização de coloides líquidos compostos de partículas metálicas de tamanho nanométrico, também conhecido como nanofluidos, é de suma importância (KALOGIROU, 2009). Como objetivo geral, propõe-se realizar estudos de eficiência de conversão termo-óptica de um CST de escala laboratorial cujo fluido circulante contém nanopartículas absorvedoras de radiação. Na metodologia, para o desenvolvimento técnico do assunto são utilizados artigos científicos relacionados ao Coletor Solar Térmico (CST), em especial, o tipo que tem absorção direta e que utilizam nanofluidos, tendo como objetivo entender a estrutura, eficiência e instrumentação deste tipo de CST. Para construção do CST em escala laboratorial, é necessário desenhos técnicos dos componentes do projeto, para em seguida ser construído no laboratório de manufatura avançada do IIT (Instituo de Inovação Tecnológica). Para o desenvolvimento de um sistema que visa analisar a eficiência de conversão termo-óptica, há necessidade de se ter os seguintes subsistemas: controle de vazão do nanofluido que circula no CST, monitoramento e controle das temperaturas da entrada e saída do fluido no CST, monitoramento da temperatura ambiente, dos gradientes de temperatura no CST e da radiação emitida ao nanofluido. A instrumentação é o próximo estágio do estudo, no qual a vazão do nanofluido para seguir a norma ASHRAE 93-1986, que aborda o desempenho do CST, deve estar na faixa de 3 a 8 ml/min. Já a temperatura do nanofluido, será monitorada e controlada nos terminais do CST, onde poderá ser utilizado sensores e pastilhas peltier com um sistema de resfriamento. No tocante a temperatura ambiente, que também é de suma importância para o experimento, será utilizado o sensor de temperatura LM35 que tem uma saída de tensão linear relativa à temperatura. Em relação ao monitoramento dos gradientes de temperatura do CST, existe uma câmera térmica no laboratório de optoeletrônica do IIT que será utilizado para o estudo. Também será necessário monitorar a radiação solar recebida pelo CST, e devido a isso um sensor miniaturizado de uma placa solar será utilizado. Uma automação de todos os subsistemas será realizada, e por conta disso existe a necessidade de uma plataforma microcontrolada, circuitos eletrônicos auxiliares de alimentação e acondicionamento de sinais. Conversores analógicos/digitais serão habilitados através do programa residente da plataforma microcontrolada. Tais conversores realizarão aquisições das informações provenientes dos sensores utilizados no estudo. A partir de suas saídas conectadas aos circuitos auxiliares, os atuadores serão acionados para os ajustes de setpoint da temperatura do nanofluido e controle de vazão. O protocolo USB será utilizado para realizar a comunicação da plataforma residente com um computador que terá instalado em seu sistema operacional um programa supervisório. Por fim, o desenvolvimento do programa residente no computador será realizado em C-Sharp (C#), sendo capaz de armazenar e interpretar as informações obtidas pelos sensores. Como resultados parciais, foram realizados os desenhos dos componentes e suas impressões em 3D necessários para o desenvolvimento do projeto. Foi realizado testes do monitoramento e controle da temperatura, utilizando sensores aprova d’água e pastilhas termoelétricas. Também foi executado testes para controle da vazão, no qual foi utilizado uma bomba peristáltica contendo um motor de tamanho adequado para baixas vazões, assim como o monitoramento da temperatura ambiente e da radiação que será emitida ao CST, no qual esse último foi utilizado um sensor miniaturizado de uma placa solar para medições. Deste modo, as contribuições que apresentam um aumento na eficiência de um coletor solar, proporcionarão benefícios em vários setores, possibilitando assim um desenvolvimento econômico regional com implementação de novas tecnologias energéticas.