Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2017-02-10T11:07:35Z No. of bitstreams: 1 Jair Carlos Muller_.pdf: 2333529 bytes, checksum: 36c56be5b98f22351456fbe4e419d28f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-10T11:07:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Jair Carlos Muller_.pdf: 2333529 bytes, checksum: 36c56be5b98f22351456fbe4e419d28f (MD5) Previous issue date: 2016-10-04 / CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Este trabalho apresenta um estudo geométrico de um refletor Fresnel linear para a produção de energia térmica com uso de um rastreador solar para orientação dos espelhos. A realização deste trabalho teve como base o estudo do sistema de coordenadas empregado para o cálculo da inclinação dos espelhos em função da posição do Sol em um determinado instante. O método utilizado considera que a radiação direta proveniente do Sol atinja o centro do espelho, cuja inclinação a cada instante permite a reflexão dessa radiação para o centro do absorvedor, situado a uma dada altura em relação ao plano contendo o eixo dos espelhos. Através do estudo da inclinação dos espelhos, foram analisadas as influencias causadas pela distância entre espelhos, altura do receptor, largura dos espelhos e o número de espelhos. Com estes parâmetros analisados, implementou-se uma simulação em MATLAB que forneceu valores de potência refletida no plano de entrada do concentrador secundário, valores de perdas por sombreamento, bloqueio, desfocagem e posição angular de cada fileira de espelho. Tendo estes dados como base foi construído um rastreador solar controlado por um micro controlador Arduino, que permite orientar as fileiras de espelhos com um único motor e eixo de acoplamento. O programa no micro controlador verifica data e hora como dados iniciais, depois as coordenadas geográficas de latitude 29º 45’ 17,979” S e longitude 51º 9’ 1,019” W do local. Assim, foi possível comprovar, através de imagens refletidas pelos espelhos no receptor secundário, que os parâmetros de posição angular estão corretos e que a concentração dos raios solares no absorvedor do concentrador secundário tem precisão adequada, fornecendo ao sistema confiabilidade para sua utilização. / This paper presents a geometric study of a linear Fresnel reflector for the production of thermal energy with use of a solar tracker for orientation of mirrors. This work was based on the study of the coordinate system used for the calculation of the slope of the mirrors as function of the sun’s position at a given time. The method considers that the solar direct radiation reaches the center of the mirror, whose slope at each instant allows the reflection of this radiation to the center of the absorber located at a given height from the plane containing the axis of the mirrors. Through the study of slope of mirrors, were analyzed the influences caused by the distance between mirrors, the height of receiver, width of the mirrors and the number of mirrors. With these parameters, it was implemented a simulation in MATLAB which provided power values reflected in the secondary concentrator inlet plane, values of losses by shading, blocking, by defocus and the angular position of each row of mirror. Having these data as base was built a controlled solar tracker by an Arduino micro controller, which allows directing the rows of mirrors with a single engine and coupling shaft. The program in micro controller checks the date and time as initial data, then the geographical coordinates of latitude 29° 45 ' 17.979 "S and longitude 51° 9 ' 1.019" W the local. Thus, it was possible to prove, through images reflected by mirrors on the secondary receiver, that the angular position parameters are correct and that the concentration of sunrays in the absorber secondary hub has adequate accuracy, providing the system reliability for its use.

Le concentrateur à réflecteur linéaire de Fresnel (LFR) est une technologie solaire thermodynamique en plein essor : petites applications industrielles (chaleur, froid, électricité) à centrales électriques (10-100 MWel). Ce travail de thèse établit un modèle global du procédé solaire, en régime permanent, pour un prédimensionnement du système. Le modèle comprend trois parties chaînées : (i) les transferts radiatifs dans le concentrateur optique, modélisés précisément par une méthode de Monte Carlo (environnement EDStar) ; (ii) les transferts thermiques dans le récepteur, évalués analytiquement (puissances, températures) ; (iii) le cycle thermodynamique, avec Thermoptim. L’application étudiée couple un concentrateur LFR à un moteur Ericsson. L’air est fluide caloporteur et de travail. Un prototype est en construction. L’hybridation et le stockage thermique sont des options clés. Un modèle systémique permettrait d’optimiser l’opération du procédé, en étudiant son comportement dynamique. / Linear Fresnel Reflector (LFR) is a promising Concentrating Solar Power technology. Research is booming and industrial applications are emerging. Applications range from small production units (heat, cold, electricity) to utility scale power plants (several tenths of MW). This PhD work establishes a global model of the solar process, in order to improve our knowledge of the system’s performances. It is a static model suited for a pre-design of the system. The model is chaining three parts. Radiative heat transfer in the optical concentrator is modelled by Monte Carlo statistical Method. The algorithm enables a detailed study of any geometrical configuration, especially through absorbed power flux maps on the receiver. The simulation tool is using the environment of development EDStar. The thermal model calculates analytically the useful thermal power, losses and temperature profiles along the receiver (glass cover, fluid, pipe...). The thermodynamic cycle is simulated analytically using the software Thermoptim. The studied application uses air as heat transfer and working fluid. Air directly feeds an Ericsson engine. The engine developed by LaTEP laboratory is promising for small scale cogeneration (1 to several tenths of kWel). The prototype Linear Fresnel Reflector built in Ecole des Mines d’Albi will enable experimental study of a solar process coupling an LFR concentrator and an Ericsson engine. The technology under study can feed a power plant or a cogeneration system in the industry, producing electricity and heat at 100 to 250°C. Hybridisation with an other energy source (biomass, gas...) and thermal storage (molten salt?) are key features to investigate. To optimise the operating strategy of the process, dynamic behaviour must be studied: a systemic or agent based model is a very relevant approach.

Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2015-11-30T14:46:17Z No. of bitstreams: 1 Sérgio Luiz Bohrer Filho_.pdf: 1393460 bytes, checksum: 335661e44d51f93aa77abb3a780e6e5a (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-30T14:46:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sérgio Luiz Bohrer Filho_.pdf: 1393460 bytes, checksum: 335661e44d51f93aa77abb3a780e6e5a (MD5) Previous issue date: 2015-10-14 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / PROSUP - Programa de Suporte à Pós-Gradução de Instituições de Ensino Particulares / Este trabalho apresenta um estudo de viabilidade de inserção de energia solar térmica na matriz elétrica brasileira, através de integração de um campo de energia termosolar concentrada com uma usina termelétrica de ciclo combinado localizada na Região Centro-Oeste. A atual conjuntura do setor elétrico, que apresenta crescimento do despacho termelétrico e consequente elevação dos custos de geração de energia elétrica, provocados principalmente por períodos de Energia Natural Afluente (ENA) abaixo da média, justifica o desenvolvimento de fontes alternativas. O objetivo principal deste estudo é apresentar um modelo de empreendimento de produção de eletricidade por meio de fonte solar térmica, compatível à realidade tecnológica e econômica do mercado de energia. O estudo baseia-se na simulação de integração de um campo solar com tecnologia de concentração Fresnel linear e geração direta de vapor superaquecido, junto à Usina Termelétrica Luís Carlos Prestes (UTE-LCP), no município de Três Lagoas, no estado de Mato Grosso do Sul. O desempenho do campo solar é verificado através do software System Advisor Model (SAM) da National Renewable Energy Laboratory (NREL) e a produção adicional de termeletricidade é determinada com base na análise de eficiência do ciclo de Rankine da UTE-LCP. Por fim, é realizada a análise financeira do projeto através de ferramentas de engenharia econômica, onde identifica-se um custo nivelado da energia elétrica (LCOE) de pelo menos 139,24 USD MW-1h-1, uma redução de 42,7% em relação às estimativas de custo internacionais para usinas heliotérmicas. Análises de sensibilidade indicam que o custo do capital tem impacto crítico sobre o LCOE, fato atribuído ao caráter de alta dependência dos recursos de capital da tecnologia solar térmica. / This work presents a study of concentrated solar power insertion in the Brazilian energy matrix, through integration of the solar energy with Luís Carlos Prestes Thermoelectric Power Plant (UTE-LCP) in Três Lagoas city. The current situation of the Brazilian electricity sector, which has presented strong growth of thermoelectric dispatch in recent years and the consequent increase in the cost of electricity generation, justifies the development of alternative energy sources. The purpose of this study is to present a model of electricity generation through thermal solar source compatible to technological and economic realities of the energy market. The study is based on evaluation of the linear Fresnel reflector with direct steam generation, because this configuration has investment, operation and maintenance attractive costs. The performance of the solar field is simulated in the System Advisor Model software (SAM) of the National Renewable Energy Laboratory (NREL). The predict performance is used with UTE-LCP operational database to estimate the additional electricity generation. Finally, the financial analysis is carried out through economic engineering tools, which identifies a Levelized Cost of Electricity (LCOE) of the 139.24 USD MW-1h-1 at least. This LCOE is 42.7% less than cost estimates for Concentrating Solar Power plants. Sensitivity analysis indicates that the cost of capital has critical impact on the LCOE, which was attributed to the character of high dependence on Concentrating Solar Power (CSP) capital resources.

Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2017-04-19T16:40:27Z No. of bitstreams: 1 Patricia Scalco_.pdf: 2617305 bytes, checksum: 329172a91dc38579cc85445e7b13abf1 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-19T16:40:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Patricia Scalco_.pdf: 2617305 bytes, checksum: 329172a91dc38579cc85445e7b13abf1 (MD5) Previous issue date: 2016-01-22 / CNPQ – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O estudo de diferentes fontes de energia é de extrema importância, tanto em termos econômicos e sociais, como no âmbito ambiental. Assim, o uso da energia solar para a geração de calor para alimentar processos que necessitam de temperaturas em torno de 300 ºC aparece como uma alternativa para suprir o uso de combustíveis fósseis em ambientes industriais, seja de forma parcial ou total. Para atingir essa faixa de temperatura, devem ser utilizados equipamentos de alto desempenho e que possam concentrar ao máximo a radiação solar. Assim, é utilizada a tecnologia de refletores Fresnel lineares, que se baseia no princípio de concentração solar, onde os raios solares incidem em espelhos que refletem essa radiação para um receptor. O receptor é composto por um tubo absorvedor e por uma segunda superfície refletora, conhecida como concentrador secundário, que tem como função maximizar a quantidade de raios absorvidos pelo receptor. Esse tipo de instalação tem se mostrado competitiva diante de outros tipos de concentração solar devido à sua estrutura simples, custo reduzido e fácil manutenção. Assim, neste trabalho serão analisados aspectos ópticos e térmicos do conjunto do receptor, tanto para o concentrador secundário do formato trapezoidal como para o CPC. Para isso, o estudo foi dividido em duas etapas. Na primeira etapa foi feito o traçado de raios para as duas geometrias do concentrador secundário estudadas afim de determinar o fator de interceptação e as perdas ópticas envolvidas neste processo. Além disso, foi analisada a influência da inserção de uma superfície de vidro na base do receptor. A segunda etapa consistiu na análise térmica, onde foi feito o estudo da transferência de calor no receptor com a finalidade de determinar a eficiência do sistema, bem como os fatores que influenciam no desempenho do mesmo. Na análise geométrica, o fator de interceptação para a concentrador secundário do tipo trapezoidal foi de 36% para o receptor aberto e 45% para o receptor com o fechamento de vidro. Para o concentrador secundário do tipo CPC, os resultados foram de 44% para o receptor aberto e 56% para o receptor isolado com vidro. Através da análise térmica, foi possível estabelecer a eficiência do sistema que, para a melhor condição de trabalho, DNI de 1000 W/m², foi de 80%. / The study of different energy sources is extremely important, both in economic and social scope, as well as in the environmental field. Thus, the use of solar energy for the generation of heat to feed processes that require temperatures around 300 ºC appears as an alternative to supply the use of fossil fuels in industrial environments, either partially or totally. To reach this temperature range, high-performance equipment must be used that can concentrate solar radiation to the maximum. Thus, Fresnel linear reflector technology is used, which uses the principle of solar concentration, where the solar rays focus on mirrors that reflect this radiation to the receiver. The receiver is composed of an absorber tube and a second reflecting surface whose function is to maximize the number of rays absorbed by the receiver. This type of installation has been competitive in comparison to other types of solar concentration because of its simple structure, low cost and easy maintenance. Thus, in this work will be analyzed optical and thermal aspects of the receiver set for the trapezoidal and the CPC secondary concentrator. For this, the study was divided into two stages. In the first stage the ray tracing was done for the two geometries of the secondary concentrator studied in order to determine the interception factor and the optical losses involved in this process. In addition, the influence of insertion of a glass surface on the base of the receptor was isolated by isolating it from the environment. The second stage consisted of the thermal analysis, where the heat transfer study was carried out in the receiver in order to determine the efficiency of the system as well as the factors that influence the performance of the system. In the geometric analysis, the interception factor for the trapezoidal secondary concentrator was 36% for the open receptor and 45% for the receptor with the glass enclosure. For the CPC secondary concentrator, the results were 44% for the open receptor and 56% for the receptor with the glass enclosure. Through the thermal analysis, it was possible to establish the efficiency of the system, which, for the best working condition, DNI of 1000 W/m², was 80%.