Dimensionamento de um concentrador solar (cpc) padrão para integração a uma usina de produção de biodiesel

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: BRANDÃO, Bráulio Bezerra
Orientador(a): DUTRA, José Carlos Charamba
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Pernambuco
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pos Graduacao em Engenharia Mecanica
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Brasil
Palavras-chave em Português:
Concentrador Parabólico Composto
Energia Solar para Calor de Processo
Biodiesel
Link de acesso: https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/67566
Resumo: A tese apresenta uma proposta de projeto de concentrador solar dimensionado para operar junto a uma planta de produção de biodiesel. O dispositivo escolhido é o Concentrado Parabólico Composto (CPC) com absorvedor em V invertido totalmente iluminado. O dimensionamento foi realizado considerando um levantamento prévio das demandas de energia de uma planta piloto de biodiesel operando em uma região com condições climáticas Nordeste do Brasil. A planta piloto está instalada na cidade de Caetés, Pernambuco, e produz biodiesel num processo em batelada, a partir de óleo de sementes de algodão, com potencial de 2500 litros de biodiesel/dia. O procedimento de dimensionamento do concentrador é mostrado no trabalho e as equações são resolvidas com o auxílio de um algoritmo de cálculo programado em MATLAB®. O dimensionamento foi realizado para duas condições climáticas, considerando os dados de irradiação das cidades de Caruaru-PE e Porto Alegre-RS, sendo analisadas 7 configurações de concentradores com distintos ângulos de aceitação (65°; 56,40°; 50°; 45,60°; 38,70°; 33,75° e 30°). O CPC com ângulo de aceitação 56,40° apresentou melhor desempenho térmico para ambas as regiões. Constatou-se que a variação de energia gerada entre regiões não é discrepante, permitindo o uso de um único CPC Padrão (θa = 56,40°, θt = 45,60°), o qual gerou 34.918,28 Wh/m² anuais e Razão Somatória Caruaru/Porto Alegre de 9,86. Integrado à Usina de Biodiesel de Garanhuns-PE, o sistema com 18 CPCs Padrão (3,80 m² cada) aqueceu 800 litros de fluido térmico para produção de 1000 litros de biodiesel, podendo suprir 165,28 kW em 21,47 horas, comprovando viabilidade técnica e eficiência como alternativa sustentável em pequenas usinas de biodiesel.
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O dimensionamento foi realizado considerando um levantamento prévio das demandas de energia de uma planta piloto de biodiesel operando em uma região com condições climáticas Nordeste do Brasil. A planta piloto está instalada na cidade de Caetés, Pernambuco, e produz biodiesel num processo em batelada, a partir de óleo de sementes de algodão, com potencial de 2500 litros de biodiesel/dia. O procedimento de dimensionamento do concentrador é mostrado no trabalho e as equações são resolvidas com o auxílio de um algoritmo de cálculo programado em MATLAB®. O dimensionamento foi realizado para duas condições climáticas, considerando os dados de irradiação das cidades de Caruaru-PE e Porto Alegre-RS, sendo analisadas 7 configurações de concentradores com distintos ângulos de aceitação (65°; 56,40°; 50°; 45,60°; 38,70°; 33,75° e 30°). O CPC com ângulo de aceitação 56,40° apresentou melhor desempenho térmico para ambas as regiões. Constatou-se que a variação de energia gerada entre regiões não é discrepante, permitindo o uso de um único CPC Padrão (θa = 56,40°, θt = 45,60°), o qual gerou 34.918,28 Wh/m² anuais e Razão Somatória Caruaru/Porto Alegre de 9,86. Integrado à Usina de Biodiesel de Garanhuns-PE, o sistema com 18 CPCs Padrão (3,80 m² cada) aqueceu 800 litros de fluido térmico para produção de 1000 litros de biodiesel, podendo suprir 165,28 kW em 21,47 horas, comprovando viabilidade técnica e eficiência como alternativa sustentável em pequenas usinas de biodiesel.This thesis presents a proposal for a solar concentrator designed to operate in conjunction with a biodiesel production plant. The chosen device is the Compound Parabolic Concentrator (CPC) with a fully illuminated inverted-V absorber. The sizing was performed based on a preliminary survey of the energy demands of a pilot biodiesel plant operating under the climatic conditions of Northeast Brazil. The pilot plant is located in the city of Caetés, Pernambuco, and produces biodiesel from cottonseed oil in a batch process, with a potential capacity of 2,500 liters/day (~660 US gallons/day). The concentrator sizing procedure is detailed in this work, with its governing equations solved using a calculation algorithm programmed in MATLAB®. The design was carried out for two distinct climatic conditions, considering irradiation data from the cities of Caruaru-PE and Porto Alegre-RS. Seven concentrator configurations with different acceptance angles (65°; 56.40°; 50°; 45.60°; 38.70°; 33.75° and 30°) were analyzed. The CPC with an acceptance angle of 56.40° demonstrated the best thermal performance for both regions. It was found that the variation in generated energy between the locations was not significant, allowing for the use of a single "Standard CPC" design (θa = 56.40°, θt = 45.60°). This standard unit generated 34,918.28 Wh/m² annually (~11,070 BTU/ft² annually) and yielded a Caruaru/Porto Alegre Summation Ratio of 9.86. When integrated with the Garanhuns PE Biodiesel Plant, a system comprising 18 Standard CPCs (40.9 ft² each) heated 800 liters (~211 US gallons) of thermal fluid for the production of 1,000 liters (~264 US gallons) of biodiesel. The system was capable of supplying 165.28 kWh (~564,000 BTU) of thermal energy over 21.47 hours, proving its technical feasibility and efficiency as a sustainable alternative for small-scale biodiesel plants.porUniversidade Federal de PernambucoPrograma de Pos Graduacao em Engenharia MecanicaUFPEBrasilhttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessConcentrador Parabólico CompostoEnergia Solar para Calor de ProcessoBiodieselDimensionamento de um concentrador solar (cpc) padrão para integração a uma usina de produção de biodieselinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisdoutoradoreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPEORIGINALTESE Braulio Bezerra Brandao.pdfTESE Braulio Bezerra Brandao.pdfapplication/pdf4615033https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/67566/1/TESE%20Braulio%20Bezerra%20Brandao.pdf4883d3f2dd68e595e4e880600723a17dMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; 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