União por difusão de metais leves em acumuladores de energia solar compactos para a geração de eletricidade por fonte termosolar no Brasil.
União por difusão de metais leves em acumuladores de energia solar compactos para a geração de eletricidade por fonte termosolar no Brasil.
O projeto SOLTER objetiva o desenvolvimento de técnicas de união por difusão para construção de acumuladores de energia solar eficientes e de baixo custo, para uso em geradores elétricos de pequeno porte, em que materiais com mudança de fase atenuam as variações de energia solar típicas do Brasil. A equipe LABTUCAL/UFSC tem grande conhecimento prévio no desenvolvimento de receptores solares, de trocadores de calor compactos e na união por difusão de aços e ligas especiais para as mais diversas aplicações. Por outro lado, o LABREN/INPE acumula décadas de levantamento de dados sobre a irradiação solar no Brasil, a qual sofre a influência da região e da variação de nuvens. O presente projeto permite que esforços nestas áreas sejam direcionados para o desenvolvimento de um protótipo em escala real.
No Brasil, a energia solar é a fonte menos utilizada na produção de energia elétrica, apesar da sua abundância em quase todo o território nacional. Mesmo com o forte crescimento da energia gerada por centrais fotovoltaicas, a energia solar ainda responde por aproximadamente 1,6% da matriz elétrica brasileira. Por outro lado, a rede de distribuição de energia elétrica no Brasil, muito cara ou mesmo inexistente, é deficiente em locais remotos, obrigando o país a comprar energia de países vizinhos. Assim, o Brasil se encontra na retaguarda no uso de energia solar, especialmente quando comparado com países como a Alemanha, que recebe 40% menos radiação do que o lugar menos ensolarado do Brasil, mas cuja energia solar representa cerca de 12,4% do total da sua matriz energética. Ademais, o uso de energia termossolar (energia térmica gerada pela irradiação solar), tão incipiente que nem entra nas estatísticas, esbarra em uma característica marcante da irradiação solar na maior parte do território brasileiro: a presença intermitente de nuvens, conforme mostra o LABREN/INPE, grupo que estuda há décadas a irradiação solar no Brasil. Pretende-se no presente projeto, a partir da experiência bem sucedida do LABTUCAL/UFSC no desenvolvimento de receptores solares e trocadores de calor aplicados a sistemas CSP (Concentrated Solar Power) para a geração de energia elétrica a partir da energia termossolar, adaptar tecnologias já desenvolvidas, visando implantar micro/pequenas centrais elétricas termossolares em locais remotos do país, para o consumo local, conforme os dados da irradiação solar. Será entregue um protótipo em escala laboratorial de um acumulador de energia solar térmica eficiente e de baixo custo para a aplicação em coletores solares do tipo Fresnel ou calha parabólica. Este acumulador será capaz de mitigar o efeito nocivo da presença de nuvens na geração de energia elétrica termossolar, pelo uso de materiais com mudança de fase (PCM - Phase Change Materials). Para isto, serão desenvolvidos processos de fabricação, especialmente a união por difusão de metais, que permitam a construção de equipamentos leves e baratos. Dados experimentais permitirão que seja estabelecido um “mapa" do potencial de geração de energia termossolar no Brasil.
Coletor solar do LABTUCAL.
O presente projeto de pesquisa pode ser dividido em três vertentes principais a serem levadas em paralelo:
- desenvolvimento de processos de união por difusão, sob responsabilidade do LABTUCAL/UFSC;
- desenvolvimento de um trocador de calor compacto onde será inserido um PCM (Phase Change Material), também sob responsabilidade do LABTUCAL/UFSC;
- mapeamento das regiões onde esta tecnologia é mais propícia a ser empregada, sob responsabilidade do LABREN/INPE.
O trocador de calor compacto soldado por difusão a ser projetado de acordo com a irradiação solar local, visa mitigar a influência da variação de energia solar devido à presença de nuvens.
Desenvolvimento de processos de união por difusão
A união por difusão pode ser definida como um processo de coalescimento das superfícies em contato em vácuo, via aplicação de pressão mecânica e temperatura por um determinado período de tempo (JIANGWEI, YAJIANG, et al., 2002). A definição de parâmetros de pressão, temperatura e tempo corretos é essencial na qualidade final de dispositivos unidos por difusão. É também de suma importância conhecer e controlar as condições da superfície da matéria prima, visto que a microdeformação nas asperidades dos corpos em contato é o principal mecanismo atuante nos instantes iniciais do processo de união, impactando diretamente na formação de contatos intermetálicos que favoreçam os fenômenos difusivos e no desenvolvimento de vazios iniciais de menor área entre as superfícies (RUSNALDY, 2001).
Dados os desafios intrínsecos associados à soldagem por difusão de ligas de menor densidade como o alumínio, será primeiramente realizado um estudo bibliográfico aprofundado, visando a seleção da(s) liga(s) a ser(em) utilizada(s). Será dado enfoque às ligas de alumínio que apresentem alta disponibilidade de matéria-prima no mercado brasileiro e custo reduzido.
Após a aquisição do material, amostras para o estudo dos parâmetros de união por difusão serão preparadas, primeiramente com o corte via jato d’água abrasivo das chapas para a realização de ciclos de união. Estas chapas serão então submetidas a diferentes técnicas de acabamento de superfície, buscando promover tanto a limpeza dessas superfícies quanto a acabamentos favoráveis à união por difusão da liga selecionada. Para tal, serão avaliadas as técnicas de acabamento superficial (que podem ser combinadas): feixes de laser, ataque eletroquímico, lixamento, lapidação e polimento mecânico.
De modo a caracterizar as superfícies obtidas, as amostras serão submetidas à análise em interferômetro óptico de luz branca, possibilitando a visualização das superfícies em três dimensões e a quantificação de parâmetros topográficos como rugosidade média (Sa), rugosidade quadrática média (Sq), assimetria (Ssk), curtose (Sku) e outros. A análise qualitativa destas superfícies será também realizada, utilizando técnicas de Microscopia Ótica (MO) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Ademais, serão realizadas medições de planicidade e ondulação das chapas, a fim de qualificar o desvio de forma das amostras.
A união por difusão será realizada no forno PVA Tepla, MOV 653HP, disponível no LABTUCAL, a partir do empilhamento destas chapas totalizando uma altura de 100 mm. A seleção desta geometria permite a avaliação dos parâmetros de união e a retirada de corpos de prova para ensaios de tração e análises microestruturais.
A avaliação da qualidade das uniões será realizada por meio de análise metalográfica de corpos de prova (de modo a observar a evolução microestrutural do material) e da realização de ensaios de tração (para avaliar quantitativamente o desempenho destas uniões).
Visto a não linearidade dos efeitos dos diversos parâmetros na união por difusão e a elevada quantidade de variáveis envolvidas no processo, técnicas estatísticas de planejamento experimental baseado no “Design of Experiment (DOE)” serão empregadas, visando à identificação das combinações dos parâmetros: tempo, temperatura, pressão e acabamento de superfície, mais favoráveis à consolidação da união por difusão das ligas estudadas. Com base neste estudo será fixado o conjunto de parâmetros a ser empregado na construção do protótipo final do trocador de calor compacto a ser preenchido parcialmente com o material de mudança de fase.
Desenvolvimento de um trocador de calor compacto para abrigar PCMs
Ao final do projeto pretende-se disponibilizar um protótipo de pequena escala de um trocador de calor compacto, parcialmente preenchido com material de mudança de fase (Phase Change Material - PCM). Este equipamento será testado quanto ao seu desempenho quando sujeito às condições de irradiação solar no Brasil, conforme os dados a serem fornecidos pela equipe do LABREN/INPE. A realização dos testes no LABTUCAL permitirá a obtenção de dados para a confecção de um “mapa” do potencial do fornecimento de energia elétrica a partir de micro centrais de energia termosolar no Brasil.
Mapeamento das potencialidades da tecnologia no Brasil
A persistência de nuvens esparsas em regiões tropicais tem se mostrado um obstáculo para o desempenho de sistemas de geração elétrica termossolar. As atividades desenvolvidas pelos pesquisadores do LABREN visam avaliar a variabilidade da cobertura de nuvens e sua influência na intermitência do recurso solar incidente na superfície com foco em projeto de sistemas de geração de energia empregando tecnologia termossolar (ou heliotérmica).
A primeira etapa consiste de uma revisão de literatura sobre índices de variabilidade solar e sua relação com o desempenho de plantas termossolares. Serão testados diferentes índices, os quais serão adaptados para uso com dados de cobertura real de nuvens obtidas por câmeras imageadoras de céu, pertencentes a estações da rede SONDA de coleta de dados ambientais, operada pelo INPE. Serão avaliados dados coletados de três regiões em diferentes climas e latitudes, amostrados com frequência de 5 minutos entre 2012 e 2018. Estes índices serão adaptados para uso com dados de cobertura efetiva de nuvens (Ceff) calculadas a partir do satélite geoestacionário GOES (NOAA/EUA). Os índices obtidos por câmeras serão utilizados para calibrar os índices satelitais e permitir uma seleção inicial de áreas de interesse para este estudo.
O levantamento da radiação solar incidente nas áreas de interesse, será feito através do modelo atmosférico de transferência radiativa BRASIL-SR, amplamente utilizado em mapeamentos solares no Brasil nos últimos 20 anos (Atlas Brasileiro de Energia Solar (Pereira et al, 2006, 2017). Essa abordagem permite maior abrangência espacial (domínio Brasil) ao custo de uma menor resolução temporal, limitada à frequência com que as imagens de satélite são fornecidas. Para esta pesquisa serão utilizados dados coletados pelo satélite GOES com resolução temporal de 15 min e resolução espacial de 1 km no nadir (ponto da superfície na direção da linha Satélite/Centro da Terra). Nesta etapa, serão implementados diferentes métodos de separação das componentes direta e difusa da radiação solar, uma vez que estas afetam de forma diferente o desempenho de sistemas de geração solar.
O projeto SOLTER objetiva o desenvolvimento de técnicas de união por difusão para construção de acumuladores de energia solar eficientes e de baixo custo, para uso em geradores elétricos de pequeno porte, em que materiais com mudança de fase atenuam as variações de energia solar típicas do Brasil. A Equipe LABTUCAL tem grande conhecimento prévio no desenvolvimento de receptores solares, de trocadores de calor compactos e na união por difusão de aços e ligas especiais para as mais diversas aplicações. Por outro lado, o LABREN/INPE acumula décadas de levantamento de dados sobre a irradiação solar no Brasil, a qual sofre a influência da região e da variação de nuvens. O presente projeto permite que esforços nestas áreas sejam direcionados para o desenvolvimento de um protótipo em escala real.
No Brasil, a energia solar é a fonte menos utilizada na produção de energia elétrica, apesar da sua abundância em quase todo o território nacional. Mesmo com o forte crescimento da energia gerada por centrais fotovoltaicas, a energia solar ainda responde por aproximadamente 1,6% da matriz elétrica brasileira. Por outro lado, a rede de distribuição de energia elétrica no Brasil, muito cara ou mesmo inexistente, é deficiente em locais remotos, obrigando o país a comprar energia de países vizinhos. Assim, o Brasil se encontra na retaguarda no uso de energia solar, especialmente quando comparado com países como a Alemanha, que recebe 40% menos radiação do que o lugar menos ensolarado do Brasil, mas cuja energia solar representa cerca de 12,4% do total da sua matriz energética. Ademais, o uso de energia termossolar (energia térmica gerada pela irradiação solar), tão incipiente que nem entra nas estatísticas, esbarra em uma característica marcante da irradiação solar na maior parte do território brasileiro: a presença intermitente de nuvens, conforme mostra o LABREN/INPE, grupo que estuda há décadas a irradiação solar no Brasil. Pretende-se no presente projeto, a partir da experiência bem sucedida do LABTUCAL no desenvolvimento de receptores solares e trocadores de calor aplicados a sistemas CSP (Concentrated Solar Power) para a geração de energia elétrica a partir da energia termossolar, adaptar tecnologias já desenvolvidas, visando implantar micro/pequenas centrais elétricas termossolares em locais remotos do país, para o consumo local, conforme os dados da irradiação solar. Será entregue um protótipo em escala laboratorial de um acumulador de energia solar térmica eficiente e de baixo custo para a aplicação em coletores solares do tipo Fresnel ou calha parabólica. Este acumulador será capaz de mitigar o efeito nocivo da presença de nuvens na geração de energia elétrica termossolar, pelo uso de materiais com mudança de fase (PCM - Phase Change Materials). Para isto, serão desenvolvidos processos de fabricação, especialmente a união por difusão de metais, que permitam a construção de equipamentos leves e baratos. Dados experimentais permitirão que seja estabelecido um “mapa" do potencial de geração de energia termossolar no Brasil.
Coletor solar do LABTUCAL.
O presente projeto de pesquisa pode ser dividido em três vertentes principais a serem levadas em paralelo:
- desenvolvimento de processos de união por difusão, sob responsabilidade do LABTUCAL/UFSC;
- desenvolvimento de um trocador de calor compacto onde será inserido um PCM (Phase Change Material), também sob responsabilidade do LABTUCAL/UFSC;
- mapeamento das regiões onde esta tecnologia é mais propícia a ser empregada, sob responsabilidade do LABREN/INPE.
O trocador de calor compacto soldado por difusão a ser projetado de acordo com a irradiação solar local, visa mitigar a influência da variação de energia solar devido à presença de nuvens.
Desenvolvimento de processos de união por difusão
A união por difusão pode ser definida como um processo de coalescimento das superfícies em contato em vácuo, via aplicação de pressão mecânica e temperatura por um determinado período de tempo (JIANGWEI, YAJIANG, et al., 2002). A definição de parâmetros de pressão, temperatura e tempo corretos é essencial na qualidade final de dispositivos unidos por difusão. É também de suma importância conhecer e controlar as condições da superfície da matéria prima, visto que a microdeformação nas asperidades dos corpos em contato é o principal mecanismo atuante nos instantes iniciais do processo de união, impactando diretamente na formação de contatos intermetálicos que favoreçam os fenômenos difusivos e no desenvolvimento de vazios iniciais de menor área entre as superfícies (RUSNALDY, 2001).
Dados os desafios intrínsecos associados à soldagem por difusão de ligas de menor densidade como o alumínio, será primeiramente realizado um estudo bibliográfico aprofundado, visando a seleção da(s) liga(s) a ser(em) utilizada(s). Será dado enfoque às ligas de alumínio que apresentem alta disponibilidade de matéria-prima no mercado brasileiro e custo reduzido.
Após a aquisição do material, amostras para o estudo dos parâmetros de união por difusão serão preparadas, primeiramente com o corte via jato d’água abrasivo das chapas para a realização de ciclos de união. Estas chapas serão então submetidas a diferentes técnicas de acabamento de superfície, buscando promover tanto a limpeza dessas superfícies quanto a acabamentos favoráveis à união por difusão da liga selecionada. Para tal, serão avaliadas as técnicas de acabamento superficial (que podem ser combinadas): feixes de laser, ataque eletroquímico, lixamento, lapidação e polimento mecânico.
De modo a caracterizar as superfícies obtidas, as amostras serão submetidas à análise em interferômetro óptico de luz branca, possibilitando a visualização das superfícies em três dimensões e a quantificação de parâmetros topográficos como rugosidade média (Sa), rugosidade quadrática média (Sq), assimetria (Ssk), curtose (Sku) e outros. A análise qualitativa destas superfícies será também realizada, utilizando técnicas de Microscopia Ótica (MO) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). Ademais, serão realizadas medições de planicidade e ondulação das chapas, a fim de qualificar o desvio de forma das amostras.
A união por difusão será realizada no forno PVA Tepla, MOV 653HP, disponível no LABTUCAL, a partir do empilhamento destas chapas totalizando uma altura de 100 mm. A seleção desta geometria permite a avaliação dos parâmetros de união e a retirada de corpos de prova para ensaios de tração e análises microestruturais.
A avaliação da qualidade das uniões será realizada por meio de análise metalográfica de corpos de prova (de modo a observar a evolução microestrutural do material) e da realização de ensaios de tração (para avaliar quantitativamente o desempenho destas uniões).
Visto a não linearidade dos efeitos dos diversos parâmetros na união por difusão e a elevada quantidade de variáveis envolvidas no processo, técnicas estatísticas de planejamento experimental baseado no “Design of Experiment (DOE)” serão empregadas, visando à identificação das combinações dos parâmetros: tempo, temperatura, pressão e acabamento de superfície, mais favoráveis à consolidação da união por difusão das ligas estudadas. Com base neste estudo será fixado o conjunto de parâmetros a ser empregado na construção do protótipo final do trocador de calor compacto a ser preenchido parcialmente com o material de mudança de fase.
Desenvolvimento de um trocador de calor compacto para abrigar PCMs
Ao final do projeto pretende-se disponibilizar um protótipo de pequena escala de um trocador de calor compacto, parcialmente preenchido com material de mudança de fase (Phase Change Material - PCM). Este equipamento será testado quanto ao seu desempenho quando sujeito às condições de irradiação solar no Brasil, conforme os dados a serem fornecidos pela equipe do LABREN/INPE. A realização dos testes no LABTUCAL permitirá a obtenção de dados para a confecção de um “mapa” do potencial do fornecimento de energia elétrica a partir de micro centrais de energia termosolar no Brasil.
Mapeamento das potencialidades da tecnologia no Brasil
A persistência de nuvens esparsas em regiões tropicais tem se mostrado um obstáculo para o desempenho de sistemas de geração elétrica termossolar. As atividades desenvolvidas pelos pesquisadores do LABREN visam avaliar a variabilidade da cobertura de nuvens e sua influência na intermitência do recurso solar incidente na superfície com foco em projeto de sistemas de geração de energia empregando tecnologia termossolar (ou heliotérmica).
A primeira etapa consiste de uma revisão de literatura sobre índices de variabilidade solar e sua relação com o desempenho de plantas termossolares. Serão testados diferentes índices, os quais serão adaptados para uso com dados de cobertura real de nuvens obtidas por câmeras imageadoras de céu, pertencentes a estações da rede SONDA de coleta de dados ambientais, operada pelo INPE. Serão avaliados dados coletados de três regiões em diferentes climas e latitudes, amostrados com frequência de 5 minutos entre 2012 e 2018. Estes índices serão adaptados para uso com dados de cobertura efetiva de nuvens (Ceff) calculadas a partir do satélite geoestacionário GOES (NOAA/EUA). Os índices obtidos por câmeras serão utilizados para calibrar os índices satelitais e permitir uma seleção inicial de áreas de interesse para este estudo.
O levantamento da radiação solar incidente nas áreas de interesse, será feito através do modelo atmosférico de transferência radiativa BRASIL-SR, amplamente utilizado em mapeamentos solares no Brasil nos últimos 20 anos (Atlas Brasileiro de Energia Solar (Pereira et al, 2006, 2017). Essa abordagem permite maior abrangência espacial (domínio Brasil) ao custo de uma menor resolução temporal, limitada à frequência com que as imagens de satélite são fornecidas. Para esta pesquisa serão utilizados dados coletados pelo satélite GOES com resolução temporal de 15 min e resolução espacial de 1 km no nadir (ponto da superfície na direção da linha Satélite/Centro da Terra). Nesta etapa, serão implementados diferentes métodos de separação das componentes direta e difusa da radiação solar, uma vez que estas afetam de forma diferente o desempenho de sistemas de geração solar.
