PME 5235 Aula 9 Coletores Concentradores

7/23/2019 PME 5235 Aula 9 Coletores Concentradores

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Fundamentos de Engenharia Solar

Coletores concentradores

Pro f. Dr. Racine T. A . Prado


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Coletores Concentradores


os principais coletores concentradores podem ser

classificados como a seguir:

Coletor de Calha Parablica (PTC);

Refletor Linear de Fresnel (LFR);

Prato Parablico;

Torre Central.


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Coletor de Calha Parablica


RefletorLinear de

Fresnel

Coletor dePrato

Parablico

Torre central


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Classificao dos sistemas solares de

acordo com as temperaturas Baixa - at 100 C;

Mdia - at 400 C;

Elevada - acima de 400 C.


Reddy et al, 2013


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Coletores concentradores - terminologia


Coletor: sistema completo, incluindo receptor e

concentrador;

Receptor: componente do sistema onde a radiao

direta absorvida e convertida em outra forma de

energia (inclui absorvedor pp.,coberturas associadas e

isolamento);

Concentrador ou sistema tico: parte do coletor

que dirige a radiao direta para o absorvedor;

abertura do concentrador: entrada da radiao.


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Concentrao


Rendimento do sistema

com as abreviaes significando: Sistema

tico Receptor Transporte Armazenamento converso

=


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Coletores Concentradores - paradoxo


a eficincia do coletor diminui com o aumento

da temperatura de operao;

a eficincia da mquina trmica aumenta com

sua temperatura de operao.


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a radiao oticamente concentrada antes de ser

transformada em calor;

a concentrao pode ser obtida por reflexo ou

refrao da radiao solar por meio de espelhos ou

lentes;

a radiao refletida ou refratada concentrada em

uma zona focal, aumentando o fluxo de energia no alvo.


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Concentrao tica


onde:

Gr: irradiao na superfcie do receptor;G: irradiao incidente.

Lovegrove, 2012

=


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Concentrao geomtrica


onde:

Acrea de abertura do coletor;

Ar: rea de abertura do receptor.

=


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Concentrao geomtrica


= sin

= 0,27 4, 7

Meio ngulo subtendido pela radiao solar:


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Concentrao


Coletores circulares (tridimensionais):

Coletores lineares (bidimensionais):

Cmax= 45.000

Cmax= 212


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Concentrao


Reflexo em cones de raios

Lovegrove, 2012


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Concentrao


Calha parablica com refletor perfeito

Lovegrove, 2012

=

4

=/2

=

4/2

4 /2

Distncia focal:

rr

= 21 +

=

4

2

Raio de borda:

ngulo de borda:


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Concentrao


Refletor parablico perfeito em alvo plano

Lovegrove, 2012

ngulo de

aceitao


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ngulo de aceitao em PTC


Kalogirou


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Concentraes mximas


Derivada da concentrao em relao a Rpara acalha parablica :

Lovegrove, 2012

=0 =0, 45, 90

Com mximo em R= 45, ngulo de aceitao s= 4,65

mrad, resulta em Cg108 com receptor plano.

Para calha e receptor cilndrico, Cg68,5.

Para o prato parablico, mximo R= 45, com receptor

plano ou cilndrico, Cg11.600.


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Concentrao


Otimizao do receptor

Lovegrove, 2012


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Concentrao


Lovegrove, 2012

Refletor parablico perfeito em alvo de seo

transversal circular

d = 2

=


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Concentrao


Trajetria da radiao difusa ou erro de rastreamento

Barakos, 2006


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Distribuio da radiao no focoConcentrao

Lovegrove, 2012


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Fatores prticos redutores da concentrao

: desvio padro


esp: erro de especularidade, (em quanto os raios refletidos seguema lei da reflexo, i= r), funo de propriedades microscpicas dasuperfcie.

sup: erro de ondulao da superfcie, como desvio das normais superfcie das direes ideais. Erros de 4 mrad so encontrados emsuperfcies precisas, sendo 5 mrad usual.

for: erro de forma, sendo o concentrador construdo por partes,estas podem ter orientao incorreta, devida expanso trmica,carga de vento ou liberao de tenses residuais.

ras:erro de rastreamento, com o concentrador no apontandodiretamente para o sol

Lovegrove, 2012

= 2

+ 2

+ 2 +

2


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Coletores compostos e concentradores


Duffie; Beckman

Absorvedor tubular comrefletor posterior difuso

Absorvedor tubular comcspides refletoras especulares

Absorvedor planocom refletores planos

Concentrador parablico Refletor de Fresnel (ourefrator)

Fileira de heliostatoscom receptor central


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Coletores Parablicos Compostos (CPC)


diferentes absorvedores

Kalogirou

com refletor involuto


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Coletores Parablicos Compostos (CPC)


os lineares so mais

prticos;absorvedores de forma

variada;

orientao do eixo aolongo N-S ou L-O;

estacionrios ou

rastreadores.

Trecho

parablico

Trecho circular

Usual// coberto

Kalogirou


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Concentrao e Temperatura do receptor


Duffie; Beckman

Perdas trmicas =energia absorvida

Eficincia decoleta entre40 e 60%


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Coletor de Tubo Evacuado (ETC)


princpio de supresso da

conveco;

eficincia mais elevada com

pequenos ngulos de

incidncia;

desenvolvimento de ciclo de

evaporao-condensao do

fluido de trabalho (p.ex.,

metanol). Kalogirou


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Tubo evacuado Sistema linear concentrador


tubo absorvedor cilndrico (receptor);

concentrador linear.

Schottsolar25 comprimento 150 m


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Sistemas Solares Trmicos de Potncia


Esquema bsico

IEA, 2011


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Ciclos

Turbinas a vaporRankine

Orgnico de Rankine (ORC)

Turbinas a gs - Brayton

Motor de Stirling


Lovegrove, 2012


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Kalogirou

Esquema hbrido solar e GN

Ciclos combinados de Rankine e Brayton


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Mtodos de gerao

Sistemas Solares de Potncia

Reddy et al. 2013


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Ciclo Rankine

Turbinas a vapor comgerao mais recomendada

de 250 MWe, presso

acima de 10MPa etemperatura at 700 C.


Rino, G

Lovegrove, 2012


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Ciclo Orgnico de Rankine (ORC)

Sistemas pequenosalguns MWe; O&M elevados;

Adequado para baixas temperaturas;

Cloreto de metila, tolueno, R-11, R-113 eR-114.


Lovegrove, 2012


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Turbinas a gs - ciclo Brayton

Fluido de trabalho: ar,hidrocarbonetos, combustvel de

avio, Diesel, GLP, biogs.

Temperaturas antes daexpanso da ordem de 1000 C.

Elevada eficincia: > 50%.


Lovegrove, 2012


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Gerao de energia eltrica com motor de

Stirling


wikipedia

Consiste em cmaras em diferentes temperaturas que

aquecem e arrefecem um gs de forma alternada,

provocando expanses e contraes cclicas, o que faz

movimentar mbolos ligados a um eixo comum. Fluidos

de trabalho: hidrognio, hlio e ar.

?
http://www.youtube.com/watch?v=gB-OwTMzXhc&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?v=gB-OwTMzXhc&feature=related


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Motor de Stirling pequenas aplicaes

dezenas de kWe


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Kalogirou

Desempenho de Sistemas Solares Concentradores


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Coletor de CalhaParablica (PTC)

Fraunhofer


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Solar Energy Generating System (SEGS)


Anos 1980: instalados nove sistemas parablicos no

sul da Califrnia;

potncias instaladas entre 14 MWe e 80 MWe,

totalizando 354 MWe;

sistemas hbridos, com auxlio de gs natural;

Custos da energia entre US$ 90 e US$ 280 por

MWh;

substituio de espelhos de vidro por folhas

circulares de filme lstico aluminizado. CERPCH


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googlemaps


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43/99



Detalhes

Kalogirou


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Wikipedi


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espelhos parablicos;

reflectncia, = 94% (para espelhos simples, = 70%);espelhos so rastreadores ao longo do dia (eixo N-S);

a causa de rompimento dos vidros o vento;

substituio de 3.000 vidros/ano;

operadores podem acionar protetores durante ventanias;

h mecanismo de lavagem automtica dos vidros.

Wikipedi

Detalhes


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Shottsolar

Nevada, 64 MWe

Coletor de Calha Parablica (PTC)


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Torresol Energy

Plantas Valle 1 y Valle 2:

50 MWe de potncia cada uma;

campo solar de 510.000 m2de colectores;

sistema de armazenamento de calor com sais fundidos

que, permite fornecer energia eltrica at 7 horas na

ausncia de radiaco solar.




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Mo a, 2012

Parmetros de projeto do coletor Eurotrough-150




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tecnologia mais consolidada de coletores trmicos

para produo de energia eltrica;

maior planta a Solar Electric Generating System

encontra-se na Califrnia, com 354 MWe instalados;

em segundo lugar, est a Plataforma Solar de Almeria,

com 1,2 MWe;

superfcie refletivas podem ser obtidas com vidro

refletivo ou material adesivo (vida til de 5 - 7 anos).



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Coletor Concentrador Rastreador Solar


dispositivo tico entre a fonte de radiao e

a superfcie absorvedora;

fluido de trabalho a temperaturas mais elevadas do que o

do coletor plano;

eficincia trmica mais elevada;

rea do receptor menor em relao rea de coleta dos

FPC, viabilizando economicamente o tratamento de

superfcie e vcuo;

exigncia de rastreamento torna-o mais complexo.


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Coletor com refletores adicionais

Teste comparativo


Fraunhofer


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atinge temperaturas entre 50 e 400 C;

o princpio de fabricao a conformao de uma

superfcie refletiva forma parablica;o eixo pode ser orientado N-S rastreando o sol L-O, ou

vice-versa;

Kalogirou


horizontal N-S coletamais radiao no vero

e menos no inverno e o

contrrio para L-O.


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Coletores concentradores rastreamento solar


Coletor de um eixo

Osman


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modos controle de rastreamento:

mecanismos que empregam motores controladoseletronicamente por calendrio;

mecanismos que empregam motores controlados

por computador com malha de controle fechadoalimentada por sensores de radiao solar.



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Sensor LDR (Light Dependent Resistor) -

resistor cuja resistncia varia conforme a

intensidade de radiao eletromagntica do

espectro visvel que incide sobre o mesmo.Material: sulfeto de cdmio (CdS) ou seleneto de cdmio (CdSe).

Wikipedia


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De um eixo horizontal

Sun Flower Energy

AttributesSpecifications

Surface Area 215 s.f.;Tracking Axis Single AxisAutomatic Tracking (East -West);

Maximum Angle 40-degreein both directions; Drive Design (Actuators)DC 24V ;4.5 mm/sec ;Wind load resistance 90

mph;Wind Protection optional;array automatically stows at 0at pre-programmed wind speed;Control Method calendar &timer (open-loop);

Weight 770 lbs.


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De dois eixos

Sun Flower Energy


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Detalhes de componentes

Sun Flower Energy


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Schottsolar


25 comprimento 150 m


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Detalhes tcnicos do receptor


preciso tica dos espelhos;

vidros do receptor de elevada transmitncia (borosilicato,

p.ex.) e baixa reflectncia;

superfcie do absorvedor de elevada absortncia e baixa

emitncia no IV 300400 C .

Schottsolar

Tubo receptor

Cobertura devidro

d d h i l


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Detalhes tcnicos do receptor


Absortncia e emitncia

Fernandes, Guaronghi

Tipo de material da

camada de tratamento da

superfcie

Absortncia

Solar

Emitncia

Solar

Fator de

Desempenho

/Tungstnio denttrico

0,96

0,26

3,7

Silcio sobre Prata

0,76

0,06 (773 K)

12

Nquel Negro

0,90

0,08 (573 K)

11

Cromo Negro

0,98

0,19 (573 K)

5,1

Cromo Negro sobre

nquel prateado

0,93

0,19 (573 K)

4,8

ZrNy sobre prata

0,85

0,03 (600 K)

24

F d d E h i S l


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CC desempenho trmico


Coeficiente de perda de calor por conveco e radiao

na superfcie do receptor e por conduo na estruturade suporte

F d t d E h i S l


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Coeficiente de conveco, hw:

Para fluxo de ar cruzado com tubo em ambiente

externo, segundo McAdams apud Duffie; Beckman:

CC desempenho trmico vRe

*v

F d t d E h i S l


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Coeficiente de radiao:

onde:

: constante de StefanBoltzmann, = 5,6697 * 10-8

W/m2* K4;

: emissividade para a superfcie absorvedora;

T: temperatura mdia para radiao (K).


F d t d E h i S l


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Coeficiente de radiao do tubo de cobertura para o

ambiente, hr:


F d t d E h i S l


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Coeficiente de radiao entre o tubo receptor

(absorvedor) e o tubo de cobertura, hr, c - a:

CC

desempenho trmico

, =

+ +

1

+

1

+

1

F d t d E h i S l


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No h transferncia por conveco entre o tubo

receptor e o tubo de cobertura atravs do espao

evacuado. Assim, o Coeficiente Global ser:

CC

desempenho trmico

hw

hr, c-a

hr, r-c

F d t d E h i S l


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Com a estimativa de UL, verifica-se a temperatura da

cobertura, estimada de 50 C:

que fornece um valor de Tcse for necessria mais uma

iterao.

CC

desempenho trmico



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Sistema linear concentrador desempenho trmico


considerando gradientes de temperatura no receptor,o desenvolvimento semelhante ao de coletores

planos, mas com geometria particular;

a resistncia de transferncia de calor da superfcieexterna do tubo receptor para o fluido no tubo interno

deve considerar a parede do tubo.



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onde:U0: transmitncia trmica baseada baseada no dimetro

externo do tubo receptor;

Die Do: dimetros interno e externo do tubo receptor;hfi : coeficiente de transferncia de calor para dentro do

tubo;

k: condutibilidade do material do tubo.




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Ganho til de Energia por unidade de comprimento,

expresso em termos da temperatura do receptor e do ar

ambiente




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Ganho til de Energia por unidade de comprimento,

expresso em termos da temperatura do receptor e dofluido.



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eliminando Tr


onde F o Fator de eficincia do coletor.

Recordando, F, num local especfico, representa a relao entre o

ganho de energia real e o ganho de energia que resultaria se o receptor

estivesse mesma temperatura do fluido local.



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de onde vem o ganho til de calor do coletor :


sendo FRo Fator de Remoo de calor do coletor.

Recordando, FR um fator que relaciona o ganho de energia til real de

um coletor com o ganho til se toda a superfcie do coletor estivesse

temperatura de entrada do fluido.



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Fator de vazo do coletor, F


O Fator de vazo do coletor funo unicamente da

taxa de capacitncia do coletor:



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Temperatura de sada do fluido (To)

onde:

Ti: Temperatura do fluido na sada do coletor (C);

Qu: ganho til de calor do coletor (W);

m: vazo de fluido no coletor (kg/s);

Cp: calor especfico do fluido de trabalho (kJ/kg C).

= +



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A energia absorvida por unidade de rea da abertura

no sombreada do coletor, S, dada por:

CC desempenho tico

onde:

: fator de interceptao, definido como a frao da radiao refletida que incide

na superfcie de absoro do receptor;

: transmitncia da cobertura do receptor;

: absortncia do absorvedor para a radiao refletida e transmitida;

K: modificador do ngulo de incidncia (considera desvios da radiao

incidente na abertura em relao normal). Mais detalhes: Duffie;Beckman,

cap.7.



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Fresnel

Refletor Linear de Fresnel (LFR)

Mills, 2012



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As fileiras de tiras lineares de espelhos concentram

a radiao em um receptor linear.




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a) Lentes polimricas focam

os raios solares em umreceptor pontual;

b) Tiras de espelhos

lineares concentram aluz em receptor linear ou

em torre.

Kalogirou

Lentes e Refletores de Fresnel



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Abbas et al, 2013

Fresnel - caractersticas:

refletores rotacionam para rastrear o sol;

atinge concentrao de 35 sis na faixa central do

receptor.




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absorvedor fixo;

refletores planos ou elasticamente curvados;

problema com sombreamento.

Kalogirou


Receptor com face para baixo



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Kalogirou

Espaamento e orientao para reduzir sombreamento


Mills



85/99


Detalhes


Mills, 2012



86/99


Receptor de tubo nico


Mills, 2012



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Mills, 2012

Receptor com vrios tubos




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Consiste em coletor com foco em um ponto, onde se

encontra o receptor, com rastreamento solar em dois

eixos.

Kalogirou

Refletor de Prato Parablico (PDR)



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atinge temperaturas acima de

1500 C;

o tipo de coletor mais eficiente;

possui concentrao entre 600 e

2000, sendo adequado para

absoro de energia trmica e

gerao de potncia;

Apud Costa, Fbio S

Refletor de Prato Parablico (PDR)



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Inovaes tecnolgicas

The receiver consists of a multi junction PV coupled to heat exchanger that converts

concentrated solar flux into electrical power (A) and thermal power (B).

(A) DC electrical power from the PV cells is converted to AC power

and fed to the grid.

(B) Thermal energy is pumped through a closed loop system to the

various users and applications

Combined Heat and Power (CHP) generation; combined efficiency of >72%

Z20 features two 11m2collectors, mounted on adual axis tracker thatconcentrates incoming

solar power onto areceiver.



91/99

Inovaes tecnolgicas

Featuring

2 axis high precision tracking mechanism with zero backlash,

using performance feedback-driven, closed loop that continually

positions the mirrors for maximum effectiveness

State-of-the-art high efficiency Multi-Junction PV cells Engineered high efficiency multi-channel

heat exchanger

Designed for 20 year service, constructed from highly durable

materials

Environmentally friendly, 99% recyclable by weight

Reliable operation, easy installation and servicing

Required minimal area, only 70-90m2 for a single Z20 unit,

15.5kWp combined output (


92/99

Inovaes tecnolgicas: Zenithsolar Z20



93/99

Inovaes tecnolgicas: Zenithsolar Z20



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Torre central

g

Torresol Energy



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Gemasolar - Espanha

O sistema de converso de potncia consiste de umgerador de vapor e turbina, com acessrios, queconvertem energia trmica em eletricidade e alimentam arede.

g



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g

Princpio: emprega

segmentos de espelhos

levemente cncavos nosheliostatos para direcionar

grandes quantidades de

energia para cavidade deum gerador de vapor, em

altas presso e

temperatura. Kalogirou

Torre central



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g

coletam energia solar oticamente, minimizando o

transporte de energia;

atingem concentraes entre 300 e 1500 e so muito

eficientes, tanto na coleta como na converso da

energia em eletricidade;

podem armazenar energia;

so muito grandes (acima de 10 MW), beneficiando-se

da economia de escala.

Torre central - vantagens



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Torre central - armazenamento

g

K

Kalogirou



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Torre central parmetros geomtricos e ticos

de parque de heliostatos (Jodhpur e Delhi)

g

50 Mwe steam

power plant

Rankine cycle

Documents

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