30/09/2015
Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOS
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Armazenamento de energia
3º. trimestre, 2015
Armazenamento de energia
A energia solar é uma fonte de energia dependente do tempo. As
necessidades de energia para uma grande variedade de aplicações
também são dependentes do tempo, mas de uma forma diferente
da energia solar fornecida.
Consequentemente, o armazenamento de energia ou outro
produto do processo solar é necessário caso a energia solar deva
fornecer porções substanciais das necessidades energéticas.
Em um sistema de energia solar, a interdependência entre o
desempenho de um dispositivo e outro é muito grande. Por
exemplo, a dependência do desempenho do coletor solar com a
temperatura do fluido na entrada afeta os demais componentes,
como o tanque de armazenamento.
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Armazenamento de energia
Em sistemas de aquecimento solar passivo, o coletor e o
armazenamento estão integrados na estrutura do edifício de
forma que o desempenho do meio de armazenamento é
dependente da energia absorvida.
A capacidade ótima do sistema de armazenamento é função da
disponibilidade de radiação solar, da natureza da carga, do grau
de confiabilidade necessário para o processo, da maneira como a
energia auxiliar é fornecida e da análise econômica para
determinar a quantidade da demanda anual de energia que
deverá ser suprida pela fonte solar e pela fonte auxiliar.
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Armazenamento de energia
A energia armazenada pode ser na forma de calor sensível em um
líquido ou meio sólido, como calor de fusão em sistemas químicos
ou como energia química de produtos em um processo químico
reversível.
Energia mecânica pode ser convertida em energia potencial e
armazenada em fluidos em posição elevada. Produtos de
processos solar podem ser armazenados: água destilada de
processos de destilação pode ser armazenada em reservatórios
para uso posterior e energia elétrica pode ser armazenada na
forma de energia química, em baterias.
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Armazenamento de energia
A escolha do meio de armazenamento depende do processo. Para
sistemas de aquecimento de água, a escolha óbvia é o
armazenamento de água quente (sensível).
Para coletores de aquecimento de ar, o armazenamento como
calor sensível em um meio particulado (leito de pedra, por
exemplo), parece o mais indicado.
Em sistemas de aquecimento passivo, o armazenamento do calor
sensível é feito na própria estrutura do edifício.
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Armazenamento de energia
As principais características de um sistema de armazenamento são:
Capacidade por unidade de volume;
Faixa de temperatura de operação → temperatura do calor adicionado
e removido do sistema;
Mecanismos de adição ou remoção do calor e diferenças de
temperatura associadas com o processo;
Estratificação da temperatura no reservatório;
Potência necessária para adição e remoção do calor;
Elementos estruturais associados ao sistema de armazenamento
(tanques ou outras estruturas);
Meios para controlar as perdas térmicas do sistema de
armazenamento;
Seu custo.
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Armazenamento de energia
Exemplo da relação capacidade volume:
Dimensões relativas aproximadas para uma dada energia armazenada para
diferentes tipos de armazenamento: puramente térmico e armazenamento
químico (combustão).
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Armazenamento de energia
Uma relação entre a temperatura média do coletor e a temperatura na qual o calor
é fornecido à carga é dada por:
Tcol − Tcar = ∆T (transporte desde o coletor até o reservatório )
+ ∆T (no reservatório )
+ ∆T (perdas no reservatório )
+ ∆T (transporte do reservatório até a aplicação)
+ ∆T (na aplicação)
Essas quedas de temperatura ao longo dos vários processos deverão ser
minimizadas para garantir a melhor eficiência do sistema.
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Armazenamento de água
Para muitos sistemas solares a água é o “material” ideal para armazenamento de
calor. A energia é adicionada e retirada do reservatório pelo próprio meio de
armazenamento, eliminando assim a queda de temperatura entre o fluido de
transporte e o reservatório de armazenamento. Um sistema típico é apresentado
abaixo:
Ts para a carga
To
Ts
Qs = (mC p )s ∆Ts
Ti = Ts
onde Qs é a capacidade térmica total para um ciclo de operação através da
variação de temperatura ∆Ts e m é a massa de água na unidade. Essa equação é
válida para um tanque completamente misturado.
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Armazenamento de água
Na figura anterior apresentou-se um sistema com trocador de calor no
reservatório, onde os dois fluidos podem ou não ser iguais (água). Em lugares
com temperaturas ambientes baixas, para evitar o congelamento nos tubos, pode
ser utilizado um fluido térmico circulando pelo coletor. Na figura abaixo
apresenta-se um sistema convencional onde o único fluido circulando é a água:
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Armazenamento de água
Realizando um balanço de energia em um tanque estratificado, conforme detalhe
da figura abaixo, obtém-se a seguinte equação:
Energia
do coletor
a To
Tanque
misturado
a Ts
Energia
para a
carga a Ts
Energia
perdida a
Ta’
(mC p )s dTs = Q&u − L&s − (UA)s (Ts − Ta′ )
dt
onde Qu e Ls são taxas de adição e remoção de energia do coletor e para a carga.
Ta’ é a temperatura ambiente para o tanque (que pode ser diferente da
temperatura ambiente para o coletor).
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Armazenamento para sistemas de aquecimento de ar
Sistemas de aquecimento de ar para fins de conforto ambiental ou aplicações
industriais, como secagem, por exemplo, podem utilizar diversos tipos de
reservatórios térmicos. Na figura abaixo mostra-se um sistema de aquecimento de
ar via aquecimento de água com coletores planos. O reservatório de água quente,
além de armazenar o calor, facilita a troca térmica com a corrente de ar.
Vantagem: maior temperatura de operação do que um sistema tradicional a ar.
Desvantagem: potência de bombeamento incrementa custos.
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Armazenamento para sistemas de aquecimento de ar
O tipo de armazenamento mais usual para sistemas de aquecimento de ar é
através do uso de material particulado, entre eles a rocha. Assim, o
armazenamento em leito de “pedras” é bastante comum nessas aplicações,
conforme descrito abaixo:
Um fluido, geralmente ar circula através do leito de pedras adicionando ou
removendo energia.
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Armazenamento para sistemas de aquecimento de ar
Algumas vantagens do armazenamento em leito de pedras:
O coeficiente de transferência de calor entre o ar e o sólido é elevado,
promovendo a estratificação térmica no reservatório;
O custo do material de armazenamento e sua estrutura é baixo;
A condutividade do leito é baixa na ausência de fluxo de ar;
A perda de carga através do leito é baixa.
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Armazenamento em sistemas passivos
Em sistemas de aquecimento passivo, o armazenamento de energia térmica é
realizado nas paredes dos edifícios. Um caso particular é a parede coletorarmazenador, disposta de forma a absorver a radiação solar transmitida pela
cobertura em um lado da parede. A temperatura da parede aumenta à medida que
a energia é absorvida e transmite parte desse calor para o espaço interno por
radiação e convecção.
Essas paredes podem dispor de controles de fluxo de ar de forma a controlar o
ganho de calor interno.
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Armazenamento sazonal
Sistemas de aquecimento de grande escala para fornecer energia para sistemas de
aquecimento distritais necessitam sistemas de armazenamento de grande
capacidade. Geralmente utilizam o solo como reservatório. O objetivo é
armazenar a energia captada no verão para seu uso no inverno.
A capacidade do reservatório, por unidade de área do coletor, deve ter magnitude
na ordem de duas a três vezes a de um sistema de armazenamento para uso
noturno.
Ou seja, utiliza-se grandes reservatórios para atender essa carga. Por exemplo:
cavernas, grandes reservatórios com água, o próprio solo, etc.
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Armazenamento sazonal
Exemplos:
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Armazenamento sazonal
Exemplos: instalações na Dinamarca, Suécia, Alemanha. Volumes entre 1 a 3000
m3 para edificações multi-familiares até 10.000 m3 para conjuntos residenciais e
edifícios comerciais. A maior instalação existente na Europa é um silo de concreto
com forro de aço inox, na Alemanha, de 12.000 m3. É utilizado para armazenar
energia solar térmica fornecida por um conjunto de coletores com área de 5.600
m2, com máxima temperatura de operação de 95°C.
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Armazenamento em concreto para centrais térmicas
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Armazenamento em concreto para centrais térmicas
Fonte: Tamme, R., Concrete storage: update on the German concret TES program. Workshop on thermal
storage for trough power system. Golden, Colorado, USA, fev. 2003.
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Armazenamento em centrais térmicas
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Armazenamento em mudança de fase
Armazenamento de calor latente é uma das formas mais eficientes de armazenar
energia térmica. O armazenamento de calor latente fornece uma densidade de
armazenamento maior que a do calor sensível, com uma menor diferença de
temperatura entre o calor armazenado e o liberado.
Materiais que experimentam mudança de fase em uma dada faixa de
temperaturas são úteis para armazenamento de energia, desde que alguns
critérios sejam atendidos.
A mudança de fase necessita ser acompanhada de um alto efeito do calor latente e
ser reversível durante um grande número de ciclos sem apresentar sérios
problemas de degradação.
Os materiais utilizados devem apresentar também elevada condutividade térmica.
O ponto de fusão deve encontrar-se na faixa de operação do sistema e devem ser
baratos, não tóxicos e não corrosivos.
Materiais que fundem a temperaturas menores que 15°C são utilizados para
armazenar “frio” em aplicações de ar condicionado enquanto materiais que se
fundem a temperaturas maiores que 90°C são utilizados em sistemas de
potência, refrigeração por absorção, etc.
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Armazenamento em mudança de fase
A mudança de fase deve ser acompanhada de sub-resfriamento e superaquecimento limitados além de dispor de meios adequados para conter o material
e para transferir calor para dentro e fora.
Também: o custo do material e do tanque devem ser adequados.
Como vantagens, o armazenamento com mudança de fase possibilita a operação
em uma faixa pequena de temperaturas, volume e massa relativamente pequenos
e elevada capacidade de armazenamento.
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Armazenamento em mudança de fase
A capacidade de armazenamento de um material em mudança de fase, aquecido
de T1 para T2 é dado por:
[ (
)
(
Qs = m Cs T ∗ − T1 + λ + Cl T2 − T ∗
)]
Onde m é a massa do material, Cs e Cl são os calores específicos das fases sólido e
líquido e λ é o calor latente de mudança de fase. A temperatura de mudança de
fase é T*.
Por exemplo: o sal de Glauber (Na2SO4· 10 H2O), um dos primeiros materiais
utilizados para armazenamento com mudança de fase, apresenta as seguintes
características:
Cs ≈ 1950 J/(kg°C); λ = 2,43x105 J/kg (a 34 °C) e Cl ≈ 3550 J/(kg°C)
Aquecendo 1 kg desse material, de 25 °C a 50 °C obtém-se:
[
]
Qs = 1 1950(34 − 25) + 2,43 × 105 + 3350(50 − 34 ) = 0,315MJ
Para a água, nas mesmas temperaturas:
Qs = 1[4180(50 − 25)] = 0,105MJ
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Armazenamento em mudança de fase
O sal de Glauber aquecido até aproximadamente 34 °C produz a seguinte reação:
Na2 SO4 ⋅10 H 2O + energia ↔ Na2 SO4 + 10 H 2O
O armazenamento de energia é acompanhado da reação da esquerda para a
direita enquanto a extração acontece da direita para a esquerda. Esse sal
apresenta problemas de degradação em ciclos repetidos, diminuindo a capacidade
térmica do sistema.
Além disso, à medida que a temperatura aumenta além do ponto de fusão há uma
separação em uma fase líquida (solução) e uma fase sólida. Como a densidade do
sal é maior que a densidade da solução, a separação das fases ocorre.
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Armazenamento em MF para altas temperaturas
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Armazenamento em MF para altas temperaturas
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