Evaluation of a set proposed for the microgeneration of electrical energy containing a gammatype configuration stirling engine prototype: experiments and thermodynamic modeling

Autor: Beck, Klunger Arthur Éster
Přispěvatelé: Lafay, Jean Marc Stephane, Treml, Aline Elly, Gomes, Francisco Augusto Aparecido, Lourenco Junior, Ivo de
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
instacron:UTFPR
Popis: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná Devido às políticas públicas de incentivo à eficiência energética, mudanças na legislação, financiamento e novas tecnologias para fomentar a geração descentralizada terão uma difusão cada vez maior em nível global nos próximos anos. Contudo, um dos principais problemas que ainda não obteve solução é o atendimento normativo dos indicadores coletivos de continuidade (DEC/FEC) em regiões rurais. Esses indicadores mensuram a duração e a frequência das interrupções ocorridas nos consumidores, conforme definido nos Procedimentos de Distribuição (PRODIST). Essas regiões rurais ou isoladas se caracterizam por baixa densidade demográfica, baixos níveis de escolaridade e abundância de biomassa, a qual poderia ser considerada no fornecimento energético. Considerando o aproveitamento calorífico dessa biomassa disponível para ser utilizada na extração de energia térmica para conversão de trabalho mecânico e, posteriormente, em trabalho elétrico para geração descentralizada, a tecnologia utilizando o motor Stirling apresenta grande potencial. Evidenciando esses parâmetros, foi desenvolvido um conjunto, o qual consiste em uma máquina térmica de combustão externa que converte calor em trabalho tendo sua eficiência teórica máxima no ciclo ideal, em razão deste ciclo ser reversível, da mesma forma que a eficiência Carnot. Este motor possui um baixo nível de emissão de poluentes, baixo consumo de lubrificante, baixo desgaste interno, baixo nível de ruído e de vibração mecânica. Além dessas principais características, ele possui baixo índice de falhas, o que torna essa tecnologia isenta de manutenção por longos períodos de tempo. Nesse contexto foi desenvolvido, fabricado, instrumentalizado, caracterizado e modelado um conjunto contendo um protótipo de conceito convencional do motor Stirling, configuração tipo Gamma de pequena escala. Na etapa posterior, foi acoplado um gerador de corrente alternada trifásico (AC) nesse conjunto, um conversor convencional boost e um conversor estático DC/AC com a finalidade de gerar trabalho elétrico. A instrumentação foi desenvolvida e implementada para permitir a leitura das grandezas físicas do sistema em diversos regimes de operação. O sistema foi modelado utilizando o modelo de Primeira Ordem e de Termodinâmica por Tempo Finito. Os maiores valores de potência elétrica foram obtidos através do experimento utilizando a fonte de calor na temperatura de 600 K, o que gerou uma potência elétrica DC e AC de 3,25 W e 2,95 W, respectivamente. O modelo de Primeira Ordem apresentou a potência variando de 10,40 W a 48,50 W. A potência do modelo Termodinâmica por Tempo Finito, considerando as irreversibilidades, também obteve o valor máximo na mesma condição que o modelo de Primeira Ordem (TH = 600 K), tendo seu valor igual a 6,43 W, na mesma ordem de grandeza do valor experimental das potências elétricas. O protótipo com a instrumentação mostrou-se adequado e capaz de fornecer os dados dos parâmetros operacionais, os quais permitiram a confrontação experimental com os resultados dos modelos de Primeira Ordem e de Termodinâmica por Tempo Finito, sendo possível detectar a origem das irreversibilidades relevantes ocorridas no ciclo real. Due to the public policies to encourage energy efficiency, changes in legislation, financing and new technologies to foster decentralized generation will have an increasing spread at global level in the coming years. However, one of the main problems that has not yet been solved is the normative compliance with collective indicators of continuity (DEC/FEC) in rural regions. These indicators measure the duration and frequency of interruptions to consumers, as defined in the Distribution Procedures (PRODIST). These rural or isolated regions are characterized by low population density, low levels of education and abundance of biomass, which could be considered regarding energy supply. Considering the calorific utilization of this biomass available to be used in the extraction of thermal energy for conversion of mechanical work and, later, in electrical work for decentralized generation, the technology using the Stirling engine seems to have great potential. Evidencing these parameters, a set was developed, which consists of an external combustion thermal machine that converts heat into work having its maximum theoretical efficiency in the ideal cycle, because this cycle is reversible, in the same way as the Carnot efficiency. This engine has a low level of pollutant emissions, low lubricant consumption, low internal abrasion, low level of noise and of mechanical vibration. In addition to these main features, it has a low failure rate, which makes this technology maintenance-free for long periods of time. In this context, a set containing a prototype of the conventional concept of the Stirling engine, a small-scale Gamma configuration, was developed, manufactured, instrumentalized and modeled. In the subsequent stage, a three-phase alternating current generator (AC) was connected to this set, a conventional boost converter and an DC/AC static converter in order to generate electrical work. The instrumentation was developed and implemented to allow the reading of the physical quantities of the system in different operating regimes. The system was modeled using the First Order and Finite Time Thermodynamics model. The highest values of electrical power were obtained through the experiment using the heat source at a temperature of 600 K, which generated an electrical power DC and AC of 3.25 W and 2.95 W, respectively. The First Order model presented the power ranging from 10.40 W to 48.50W. The power of the Finite Time Thermodynamics model, considering irreversibilities, also obtained the maximum value in the same condition as the First Order model (TH = 600 K), having a value equal to 6.43W, in the same order of magnitude as the experimental value of the electrical powers. The prototype with the instrumentation proved to be adequate and capable of supplying the data of the operational parameters, which allowed the experimental confrontation with the results of the First Order and Finite Time Thermodynamics models, making possible to detect the origin of the relevant irreversibilities occurring in the actual cycle.
Databáze: OpenAIRE
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