Universidade de Évora
Energia Solar Térmica
2012/2013
Discentes: Docente: Paulo Canhoto
Davide Pereira nº29233 ERR
Ricardo Andrade nº29592 EER
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
1 Energia Solar Térmica 2012/2013
Índice
Índice……………………………...…………………………………………………...1
Introdução ............................................................................................................ 2
História ................................................................................................................... 3
Esquema do Motor de Stirling ............................................................................ 4
Ciclo Termodinâmico do Motor de Stirling ...................................................... 5
Tipos de Motor de Stirling .................................................................................... 7
Motor de Stirling Ideal e seu Funcionamento ................................................. 9
Possíveis Aplicações do Motor de Stirling……………………….....………….13
Prós e Contras do Motor de Stirling em Geral……………..…........…………15
Vantagens e Desvantagens dos diversos Motores de Striling…...……......17
Atividade Laboratorial……………………………………………….......……….18
Objetivos………….....……………………………………………………….18
Material utilizado……………………………………………...…………….18
Calibrações………………………………...………………………………..19
Equações usadas……………………………………......………………....20
Conversão da área dos gráficos obtidos para Energia………...….21
Tabelas dos Resultados……………………………………………………24
Comparação entre gráficos……………………………………………..25
Fotos do esquema de montagem……………………………..……….25
Dificuldades na Atividade Laboratorial………………………………..27
Conclusões da Atividade Laboratorial……………………………...…28
Considerações Finais…………………………………….………………………..30
Bibliografia……………………….…………………………………………...……..32
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
2 Energia Solar Térmica 2012/2013
Introdução
Este trabalho tem como tema “Sistema de concentração com
Motor de Stirling” e consiste no estudo de um Motor de Stirling,
abordando tópicos como a sua história/origem, o seu funcionamento,
as suas vantagens e desvantagens, as suas aplicações; sendo também
nos proposto um ensaio (medições) de um Motor de Stirling no
laboratório, obtendo conclusões face a várias condições de
funcionamento do mesmo.
Escolhemos este tema, devido ao facto de o Motor de Stirling nos
ter parecido um mecanismo bastante interessante, que na nossa
opinião, poderá vir a ter várias aplicações futuras, nomeadamente no
aumento do rendimento de um motor de combustão externa,
combatendo deste modo a nossa dependência face aos combustíveis
fósseis, diminuindo também a emissão de GEE.
Por fim, mas de forma não menos importante, podemos
felizmente afirmar que este sistema está diretamente relacionado com
a energia renovável Solar Térmica, devido ao facto de aproveitar o
potencial energético do Sol como chave para o funcionamento do
Motor de Stirling.
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
3 Energia Solar Térmica 2012/2013
História
Este mecanismo foi inventado por Robert Stirling em
1816, com auxílio do seu irmão, também engenheiro, de
modo a substituir os motores a vapor da época, que
explodiam com muita frequência, provocando imensas mortes
em acidentes devido ao rompimento das caldeiras que eram
sujeitas a condições de pressões muito elevadas.
A sua primeira aplicação foi em 1818, tendo sido construído um
Motor de Stirling para bombear água numa pedreira. Ao longo do
tempo, este motor foi aperfeiçoado, pelo que em 1843 foi utilizado para
mover máquinas numa fundição.
Para além desta invenção ter apresentado condições mais
seguras de funcionamento, ostentava uma maior eficácia
relativamente aos outros motores, devido ao facto de conter um
regenerador (economizador), permitindo obter uma maior eficiência
relativamente aos motores de gasolina, diesel e máquinas a vapor e
ainda a capacidade de economizar energia.
Figura 1 - Robert Stirling
Figura 3 - Máquina a Vapor Figura 2 - Motor de Stirling
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
4 Energia Solar Térmica 2012/2013
Esquema do Motor de Stirling
Principais componentes:
Figura 4 - Motor de Stirling utilizado na Actividade Laboratorial
Fonte Quente (Resistência)
Cilindro de trabalho
Pistão desfasado para passagem de gás
Lã de cobre (Regenerador)
Pistão de trabalho
Fonte Fria (mangueira de água de refrigeração)
Câmara onde a água fria flui)
Rolamentos do pistão excentricamente desfasados
em sentido inverso aprox.90°
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
5 Energia Solar Térmica 2012/2013
Ciclo Termodinâmico do Motor de Stirling
Este tipo de motor funciona através de um Ciclo Termodinâmico,
constituído por 4 fases, sendo executado em dois tempos do pistão. As
fases que compõem o ciclo são:
1. Expansão isotérmica: O gás é aquecido por uma fonte de
calor externa até que a temperatura fique constante, enquanto
se dá o processo de expansão;
2. Resfriamento isocórico: Nesta fase o calor é retirado do gás;
3. Compressão isotérmica: Dá-se um resfriamento do gás
enquanto o volume diminui, de modo a que a temperatura não
aumente;
4. Aquecimento isocórico: Dá-se um aquecimento do gás até à
sua temperatura inicial, recomeçando o ciclo.
Figura 5 - Ciclo de Stirling/ Funcionamento do Motor de Stirling
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
6 Energia Solar Térmica 2012/2013
Posto isto, existem dois pressupostos que são essenciais para a
compreensão do Motor de Stirling, sendo estes:
Se tivermos uma quantidade fixa de gás num volume também fixo
e a temperatura desse mesmo gás aumentar, irá haver
conjuntamente um aumento de pressão;
Se tivermos uma quantidade fixa de gás e se nós o comprimir-mos
(diminuição de volume) a temperatura do gás irá aumentar.
Deste modo, podemos comparar e afirmar que o Ciclo de Stirling se
assemelha bastante com o Ciclo de Carnot, que estabelece o limite
teórico máximo de rendimento das máquinas térmicas.
Resumidamente, podemos dizer que o funcionamento do Motor de
Stirling consiste basicamente na expansão e contração do gás dentro
dos cilindros. Isto ocorre, devido a diferenças de temperatura,
produzindo deste modo um movimento alternado dos pistões ligados a
um eixo comum, gerando posteriormente a rotação do disco
incorporado no eixo.
Figura 6 - Ciclo de Stirling Figura 7 - Ciclo de Carnot
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
7 Energia Solar Térmica 2012/2013
Este tipo de motor é considerado uma máquina de ciclo fechado,
isto é, um ciclo em que o fluído de trabalho nunca abandona o interior
do motor, ao contrário dos motores de combustão interna.
Relativamente ao gás utilizado, este é principalmente o ar, hélio ou
hidrogénio pressurizado, pelo facto de estes serem gases com elevada
condutividade térmica e baixa viscosidade, ou seja, têm a capacidade
de transportar energia térmica mais rapidamente e de ter uma menor
resistência ao escoamento, permitindo diminuir as perdas de atrito.
Existem diversos tipos de Motor de Stirling, porém todos funcionam no
princípio anteriormente referido, diferindo fatores como a disposição
dos cilindros e pistões.
Os três grandes tipos de Motor de Stirling são:
Alpha é constituído por dois pistões em cilindros separados,
sendo estes últimos ligados exteriormente pelo regenerador;
Figura 6 - Modelo "Alpha"
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
8 Energia Solar Térmica 2012/2013
Beta é constituído apenas por um cilindro, pelo que os dois
pistões funcionam dentre dele. O pistão que atua na zona da
fonte quente encontra-se solto relativamente às paredes do
cilindro, permitindo deste modo as permutas de ar entre a zona
quente e fria;
Gamma é constituído por um mecanismo semelhante ao
“Alpha”, apenas diferindo no facto de o regenerador neste caso
estar incluído no corpo do motor, ao invés de estar separado
como no anterior.
Figura 7 - Modelo “Beta”
Figura 8 - Modelo "Gama"
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
9 Energia Solar Térmica 2012/2013
Motor de Stirling Ideal e o seu Funcionamento
Vamos agora descrever o processo de funcionamento de um
Motor de Stirling Simplificado de dois cilindros, sendo este último o motor
ideal. Primeiramente este tem um esquema em que consiste num motor
com dois cilindros, em que um é aquecido por uma fonte externa e
outro é resfriado também por uma fonte externa. As câmaras de gás
dos dois cilindros são conectadas e os pistões são também conectados
um ao outro por uma articulação mecânica que determina o modo de
movimentação entre eles.
Neste tipo de Motor de Stirling existem quatro partes (ideais),
sendo estas as apresentadas abaixo (começando por uma posição
inicial não incluída nas quatro):
Parte Inicial – Esta é a posição inicial dos pistões antes de ser
adicionado qualquer calor ao sistema.
Figura 9 - Posição inicial do Ciclo de Stirling
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
10 Energia Solar Térmica 2012/2013
1. O calor é adicionado ao gás no interior do cilindro no lado da
fonte quente, causando o aumento da pressão, fazendo com
que o pistão se mova para baixo. Esta é a parte do ciclo
Stirling que realiza trabalho;
2. De seguida o pistão esquerdo move-se para cima enquanto o
pistão direito se move para baixo. Isto vai empurrar o gás
aquecido para o cilindro resfriado, o que arrefece
rapidamente o gás para a temperatura igual à da fonte fria,
baixando também desta maneira a sua pressão. Isto facilita
comprimir o gás na próxima parte do ciclo;
Figura 10 - Expansão isotérmica
Figura 11 - Resfriamento Isocórico
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
11 Energia Solar Térmica 2012/2013
3. O pistão no cilindro resfriado (direito) começa a comprimir o
gás. O calor gerado por essa compressão é removido pela
fonte de resfriamento;
4. O pistão direito move-se para cima enquanto o pistão
esquerdo se move para baixo. Isto força o gás a ir para o
interior do cilindro da fonte quente, onde vai ser aquecido
rapidamente, aumentando a assim a sua pressão, ponto no
qual o ciclo se repete.
Figura 12 - Compressão Isotérmica
Figura 13 - Aquecimento Isocórico
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
12 Energia Solar Térmica 2012/2013
O Motor de Stirling somente gera potência durante a primeira parte
do ciclo, pelo que existem duas maneiras principais de aumentar a sua
produção:
Aumentar a potência na parte 1 – nesta parte do ciclo, a
pressão do gás aquecido empurra o pistão, realizando deste
modo trabalho. Se aumentarmos a temperatura da fonte
quente, irá haver uma maior pressão, fazendo com que o pistão
se movimente mais rápido. Uma forma de aumentarmos a tal
temperatura é de implantarmos no motor um regenerador, que
é um dispositivo que tem a capacidade de armazenar calor
temporariamente. Quando o gás é “empurrado” pelo pistão
esquerdo para a fonte fria, parte do calor fica retido no
regenerador, fazendo com que diminua a quantidade de calor
a ser retida pelas aletas de resfriamento. De seguida, quando o
pistão direito volta a impulsionar o gás para a fonte quente, este
absorve o calor que estava retido no permutador, aumentando
deste modo a temperatura do gás da fonte quente.
Diminuir o consumo de potência no estágio 3 - na parte 3 do
ciclo, os pistões realizam trabalho sobre o gás, consumindo uma
parte da potência produzida na parte 1. Se houver uma
diminuição na temperatura da fonte fria, irá fazer com que haja
uma menor pressão, logo o pistão direito se consegue mover
para cima com uma maior facilidade.
Estes dois ajustes no processo irão aumentar a produção de
potência na primeira parte e reduzir a potência consumida durante a
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
13 Energia Solar Térmica 2012/2013
terceira parte do ciclo, aumentando efetivamente a potência final
produzida pelo motor e consequentemente a sua eficiência.
Possíveis aplicações do Motor de Stirling
Produção de energia: Esta é a
sua aplicação mais comum e prática,
pois pode utilizar diversas fontes de
energia, como combustíveis fósseis,
assim como energias renováveis, como
o sol. Este sistema pode ter a
funcionalidade de funcionar como
geradores de eletricidade, em lugares
onde não seja possível chegar a mesma por via da rede elétrica, tendo
como exemplo as aldeias isoladas, submarinos, iates, ….
Os sistemas Concentrador/Stirling baseiam-se num refletor
parabólico isolado que concentra luz num recetor posicionado para
absorver a radiação direta do sol, devido à sua capacidade de seguir o
movimento solar através de dois eixos. O fluido de trabalho localizado
no recetor é aquecido a 250-700ºC e depois é incorporado num Motor
de Stirling para gerar energia, pelo que resto funciona de acordo com o
Ciclo de Stirling. Entre as diversas tecnologias CSP, o seu carácter
modular facilita a construção em grande escala.
Este tipo de utilização representa a mais eficiente de todos os
sistemas de concentração solar, tendo rendimentos por volta dos 30%.
Locomoção: Este tipo de motor já foi
aplicado em meios de transporte, aumentando
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
14 Energia Solar Térmica 2012/2013
um pouco o rendimento, porém, devido ao baixo torque que este
produzia relativamente ao dos motores de veículos, e ao facto de
demorar bastante a arrancar, esta aplicação foi abandonada. Por
outro lado são bastante usados em submarinos, principalmente devido
ao facto de serem bastante silenciosos e não emitirem vibração
durante o seu funcionamento e também porque permitem que os
mesmos possam passar debaixo de água até várias semanas.
Refrigeradores: Ao invés de utilizar energia calorifica para criar
uma diferença de temperatura e gerar
energia mecânica, os motores de stirling
também podem funcionar do modo
contrário. Isto é, existe um fornecimento
de energia mecânica ao motor e este
gera uma diferença de temperatura,
trabalhando deste modo como um
refrigerador, como por exemplo, num ar
acondicionado. Atualmente, este tipo
de motores já conseguem atingir
temperaturas menores que 60K.
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
15 Energia Solar Térmica 2012/2013
Prós e Contas do Motor de Stirling em Geral
O Motor de Stirling, como todos os motores, apresenta diversas
vantagens e desvantagens que devem ser analisadas.
Vantagens:
É pouco poluente, pois a combustão é contínua, e não
intermitente, o que permite uma queima mais completa e
eficiente do combustível e ainda pelo facto de haver emissão de
gases quase nula;
Baixo desgaste interno e consumo
de lubrificante;
É muito silencioso e apresenta baixa
vibração;
Pode utilizar praticamente qualquer
fonte energética como combustível:
gasolina, etanol, metanol, gás
natural, óleo diesel, biogás, GLP,
energia solar, calor geotérmico e
outros;
Apresenta uma eficiência global
superior a qualquer motor térmico;
Mais amigo do ambiente
Figura 14 - Sistema de Concentração Solar com Motor de Stirling
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
16 Energia Solar Térmica 2012/2013
Desvantagens:
Apresenta algumas dificuldades em iniciar, assim
como variar a sua rotação rapidamente, o
que torna difícil o seu uso em automóveis;
Podem surgir problemas técnicos relacionados
com o sistema de vedação do fluido de trabalho,
pois se forem utilizados gases inertes e leves como o hidrogénio e
o hélio, caso estes sejam expostos a elevadas pressões, poderão
escapar para o exterior.
Os Motores de Stirling são mais caros que um
Motor a Diesel da mesma potência, quer na
adquirição, quer na manutenção.
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
17 Energia Solar Térmica 2012/2013
Vantagens e Desvantagens dos diversos tipos
de motores de Stirling:
Alpha
Vantagens:
Possui um arranjo simples;
O facto de possuir um regenerador aumenta o seu rendimento, pois
deste modo é possível reaproveitar algum calor que seria dissipado ou
“empurrado” para a fonte fria;
Podem ser construídos com elevadas potências de saída.
Desvantagens:
Ambos os pistões necessitam de vedação por conter gás de trabalho.
Beta
Vantagens: Permite obter eficiências superiores ao motor de modelo
Gamma.
Desvantagens:
O facto de as hastes do pistão de deslocamento e o de trabalho
estarem alinhadas torna o mecanismo complicado.
Gamma
Vantagens:
Possui regenerador, que aumenta a eficiência térmica do motor;
Relativamente a este motor, a parte quente é separada do permutador
de calor pelo que o gás é possibilitado de fluir livremente entre os dois
cilindros;
Permite funcionar com pequenas diferenças de temperatura.
Desvantagens:
Não permite gerar uma grande quantidade de potência.
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
18 Energia Solar Térmica 2012/2013
Atividade Laboratorial
Objetivos: Esta parte experimental do trabalho teve como
objetivos a visualização do funcionamento de um Motor de Stirling,
seguida por uma recolha de dados para diferentes condições, para
posteriores conclusões/discussões sobre os resultados obtidos, como por
exemplo a energia produzida pelo motor.
Material utilizado:
Motor de Stirling (Leybold, 388 18/20);
Osciloscópio;
Duas Fontes de Tensão;
Aparelho de conversão de pressão para tensão (caixa azul);
Dois multímetros;
Fonte de alimentação da resistência do motor;
Fios de condução;
Crocodilos.
Parâmetros a ter em conta para o Sensor de Volume:
1. Resistência máxima = 10KΩ;
2. Intensidade de corrente = 0,001101 A;
3. Diferença de Potencial = 11,01 V.
De modo a podermos extrair dados para posterior tratamento dos
mesmos, tivemos de fazer algumas conversões no caso do osciloscópio.
Estas últimas consistiram no facto de a escala do visor do osciloscópio
ter sido representada por quadrados, cada um dividido em 5 partes.
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
19 Energia Solar Térmica 2012/2013
Falando da escala imposta nos canais 1 e 2, podemos dizer que no
eixo xx cada quadrado representava 0,05V e
no eixo yy 0,1V, havendo deste modo a
necessidade de converter a tensão obtida
relativa ao número de quadrados a partir dos
valores acima mencionados (representados nas
tabelas abaixo, nas colunas “Eixo xx e Eixo yy”).
Calibrações
Do Sensor de Pressão:
A Curva de Calibração do Sensor de Pressão era linear, logo a
conversão de volts para Pascal foi realizada através da curva do
mesmo, cuja equação era linear, em que 1 volt correspondia a 2,0×105
Pa.
Do Sensor de Volume:
Esta calibração necessitou de ter em conta a Tensão fornecida ao
Sensor de Volume e a sua Resistência máxima. Deste modo, obtemos
um valor de corrente fixo que passava no Sensor de Volume (0,001101
A), sendo este valor utilizado para calcular a variação da resistência
(∆R) de acordo com a tensão obtida no osciloscópio (∆V).
Foi-nos indicado que a Resistência máxima do sensor de pressão
(10KΩ) corresponde ao deslocamento máximo do fio (1,5m). O
deslocamento do fio (X) é o que determina a variação do volume no
cilindro do motor (∆𝑉𝑐𝑖𝑙), pelo que obtivemos uma fórmula que
relaciona diretamente a tensão no osciloscópio (∆V) com o volume no
cilindro (∆𝑉𝑐𝑖𝑙).
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
20 Energia Solar Térmica 2012/2013
Equações usadas de modo a obter os valores pretendidos:
10KΩ ------------ 1,50 m
∆𝑹 ------------------- X
𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝐀𝐛𝐚𝐬𝐞 × 𝐗 𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝛑 𝐫𝟐 𝐗 𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝛑 𝟎, 𝟎𝟑𝟐 𝐗
𝐗 =∆𝐑 × 𝟏, 𝟓𝟎
𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎
𝐕 = 𝐑 × 𝐈 𝐈 = 𝐕
𝐑
∆𝐑 = ∆𝐕
𝐈
𝐗 =∆𝐕 × 𝟏, 𝟓𝟎
𝐈 × 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎
𝐕𝐜𝐢𝐥 =𝟎, 𝟎𝟎𝟏𝟑𝟓 𝝅 ∆𝐕
𝟏𝟏, 𝟎𝟏
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
21 Energia Solar Térmica 2012/2013
Conversão da área (cm2) dos gráficos obtidos para
Energia (J)
Após calcularmos a área, dos vários gráficos obtidos para cada
experiência, tivemos que a converter para o seu valor de energia
respetiva. Para tal, tivemos que fazer alguns cálculos de modo a
calcular esta energia.
A primeira etapa consistiu em calcular quantos joules (energia)
correspondiam a uma quadrícula no osciloscópio. Para isto, tivemos que
calcular qual o valor da pressão (Pa) e de volume (m3) por divisão no
eixo yy e xx no osciloscópio, respetivamente.
Sabendo que a saída do sensor de pressão é de 1 volt/2000 hPa e
que cada divisão no osciloscópio no eixo yy representa 0,1 Volt, com
isto concluímos que cada divisão neste eixo vale 200 hPa (20000Pa).
1 Volt---------------------------200000 (Pa)
0,1 Volt (1 divisão) -----------x (Pa) x=20000 Pa/div.
Relativamente ao eixo do x, sabemos que a escala da divisão é
0,05 Volts, isto é, cada divisão corresponde a este valor. Sabendo isto,
fomos calcular qual o volume que corresponde a 0,05 Volts na equação
obtida anteriormente, que relaciona o Volume com a variação da
Tensão no osciloscópio.
𝐕𝐜𝐢𝐥 =𝟎, 𝟎𝟎𝟏𝟑𝟓 𝝅 ∆𝐕
𝟏𝟏, 𝟎𝟏
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
22 Energia Solar Térmica 2012/2013
Pelo que obtivemos o valor que corresponde ao volume por cada
divisão no eixo xx do osciloscópio:
𝐕 = 𝟏, 𝟗𝟐𝟔𝐱𝟏𝟎−𝟓 𝒎𝟑/𝐝𝐢𝐯
Tendo o valor da pressão (Pa) e do volume
de cada divisão (m3), podemos calcular a
energia que corresponde ao volume de uma
quadrícula no osciloscópio através da sua
multiplicação.
Equadrícula=20000 x 1,926x10-5 = 0,386 J
Logo, obtemos 0,386 Joules de energia por centímetro quadrado
de área do gráfico (0,386J/cm2), visto que cada quadrícula no
osciloscópio tem 1 centímetro quadrado de área.
De modo a obter o valor da energia correspondente à área (A)
de cada gráfico que calculámos, bastou multiplicar esta área pelo
valor da energia por unidade de área, obtido anteriormente
0,386J/cm2).
Esta fórmula permite-nos converter diretamente o valor da área
do gráfico (cm2) em energia produzida pelo Motor de Stirling. Este
valor varia à medida que alteramos as suas condições de
funcionamento, como a temperatura da fonte quente e o caudal
de água fornecida à fonte fria.
𝐄𝐪𝐮𝐚𝐝𝐫𝐢𝐜𝐮𝐥𝐚 = 𝐏 × 𝐕 [J/cm2]
𝐄𝐠𝐫á𝐟𝐢𝐜𝐨 = 𝐀 𝐱 𝐏 × 𝐕 = 0,386 × A [J]
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
23 Energia Solar Térmica 2012/2013
Abaixo estão as tabelas dos dados que recolhemos no decorrer da
experiência, bem como os resultados obtidos face às calibrações e
equações apresentadas de seguida:
Tabela 1 - Valores para o primeiro caudal médio (5,1×10-6 m3/s)
Tabela 2 - Valores para o segundo caudal (16×10-6 m3/s)
Caudal médio = 5,1×10-6 m3/s
Tensão
fornecida à
fonte quente
(V)
Volume
Eixo xx (V)
Pressão
Eixo yy (V)
Eixo xx (m3)
(×10-6)
Eixo yy
(KPa)
Área do
gráfico
(cm2)
Energia
obtida
(J)
8 0,255 0,400 98,228 80 3,315 1,280
10 0,265 0,480 102,080 96 4,77 1,841
12 0,290 0,520 111,711 104 4,72 1,822
14 0,320 0,600 123,266 120 5,655 2,183
Caudal médio = 16×10-6 m3/s
Tensão
fornecida à
fonte quente
(V)
Volume
Eixo xx
(V)
Pressão
Eixo yy
(V)
Eixo xx (m3)
(×10-6)
Eixo yy
(Kpa)
Área
do
gráfico
(cm2)
Energia
obtida (J)
8 0,270 0,500 104,006 100 3,32 1,282
10 0,290 0,520 111,711 104 3,84 1,482
12 0,310 0,560 119,415 112 3,9 1,505
14 0,310 0,580 119,415 116 3,69 1,424
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
24 Energia Solar Térmica 2012/2013
Comparação entre gráfico teórico do Ciclo e o obtido
no osciloscópio
Com este gráfico obtido, podemos afirmar que conseguimos
notar algumas semelhanças face ao Ciclo teórico, no entanto existem
algumas discrepâncias que se deveram possivelmente a erros de
medições e incertezas dos instrumentos. Podemos concluir que é
impossível se obter um rendimento igual ao do Ciclo de Stirling Ideal.
Figura 15 - Ciclo de Stirling Teórico Figura 16 - Ciclo de Stirling obtido
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
25 Energia Solar Térmica 2012/2013
Fotos do Esquema de Montagem
Figura 17 - Esquema de montagem 1/2 Figura 18 - Esquema de Montagem 2/2
Figura 16 - Osciloscópio
Figura 15 - Sensor de Volume Figura 19 - Sensor de Pressão
Figura 21 - Multímetro
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
26 Energia Solar Térmica 2012/2013
Figura 17 - Fonte de Tensão Figura 23 - Fonte de Alimentação
Figura 24 - Conversor para Tensão
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
27 Energia Solar Térmica 2012/2013
Dificuldades no Atividade Laboratorial
Durante a execução deste trabalho passámos por algumas
dificuldades inesperadas. O principal obstáculo que encontrámos foi o
facto de a resistência do Motor de Stirling se ter partido, pelo que
tivemos que adiar a experiência para dias mais tarde do que estava
planeado. Felizmente, conseguimos realizar a atividade usando a
mesma resistência.
Outro aspeto que nos dificultou o trabalho foi o facto de termos
tido pouco tempo para a realização de mais atividades laboratoriais
que gostaríamos de ter tido feito, entre elas, o uso do Motor de Stirling
de concentração solar, cuja fonte quente era os raios solares que eram
captados e refletidos através de uma parabólica solar para a câmara
quente do mesmo. Também gostaríamos de ter construído um pequeno
Motor de Stirling, porém, a falta de tempo também nos prejudicou neste
sentido.
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
28 Energia Solar Térmica 2012/2013
Conclusões da Atividade Laboratorial
A parte laboratorial consistiu basicamente em analisar os valores
de potência obtidos para diversos caudais de água e tensão fornecidos
à fonte quente (resistência).
Os resultados foram obtidos a partir da ligação do sensor de
pressão e do sensor de volume ao osciloscópio, pelo que os valores
observados, em xx (Volt) e yy (Volt) tiveram de ser convertidos nas suas
respetivas unidades, xx (m3) yy( Pa), através de vários cálculos de
calibração dos dois sensores.
Variámos os valores da tensão fornecida à fonte quente, que
consistia numa resistência, de modo a aumentar a sua temperatura. O
aumento desta temperatura permitiu obter mais energia, como
explicado na parte teórica.
A variação do caudal de água influencia diretamente a
temperatura da fonte fria e consequentemente a energia produzida,
pelo que com o aumento do caudal de água deveria aumentar a
energia produzida pelo motor, visto que havia uma maior diferença de
temperatura entre as fontes fria e quente.
Face aos resultados alcançados, concluímos que algo não correu
como esperado, devido ao facto de a energia produzida pelo Motor de
Stirling ter aumentado com a diminuição do caudal de água.
O seguinte gráfico mostra os resultados obtidos da energia (J) em
função da tensão fornecida à fonte quente (resistência) para diferentes
caudais impostos à fonte fria. Como se pode analisar, a energia
aumenta com a diminuição do caudal, o que achamos que não está
correto.
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
29 Energia Solar Térmica 2012/2013
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Ener
gia
Pro
du
zid
a (J
)
Tensão Fornecida (V)
Caudal médio = 16×10-6 m^3/s
Caudal médio = 5,110-6 m^3/s
Gráfico 1 – Energia em função da Tensão para diferentes caudais
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
30 Energia Solar Térmica 2012/2013
Considerações finais
A realização deste trabalho permitiu-nos conhecer e perceber o
funcionamento do Motor e respetivo Ciclo de Stirling, um ciclo
termodinâmico de grande importância e com várias aplicações.
Apesar de os resultados não coincidirem com o que era
teoricamente esperado, concluímos a partir do desenvolvimento do
trabalho teórico que para uma maior diferença de temperatura entre a
fonte quente e a fonte fria, existe uma maior potência extraída, isto é, a
velocidade do ciclo aumenta quanto maior for a variação da
temperatura nas duas câmaras.
Este motor tem diversas aplicações como já referimos, mas, a sua
principal utilização que nos interessa, é no setor das energias renováveis,
isto é, utilizando o sol como fonte quente. Esta aplicação é bastante
eficiente, visto que os raios solares, quando concentrados num ponto,
conseguem transmitir uma quantidade elevada de radiação o que
permite absorver grandes quantidades de energia e posteriormente
gerar potência.
Falando nos sistemas de Concentração/Stirling em particular,
podemos dizer que este se trata de uma aplicação que produz energia
limpa, sem emissão de poluentes e que causa pouquíssimo impacto
ambiental. Além disso, é uma forma de descentralizar a geração
elétrica e aliviar o sistema atualmente sobrecarregado, garantindo uma
maior segurança e estabilidade.
No entanto, ainda deve haver uma evolução tecnológica que
permita diminuir o preço dos componentes do conjunto
Concentrador/Stirling para que a sua instalação possa ser tornada mais
viável nas regiões do país que o mais necessitam, isto é, nas zonas
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
31 Energia Solar Térmica 2012/2013
isoladas dos grandes centros urbanos. Enquanto se consegue adquirir
um gerador a diesel de 7,5 kW por cerca de 1500€, um equipamento
concentrador/Stirling da mesma potência não custa menos que 50000€.
Contudo, as perspetivas são otimistas, enquanto que, hoje um protótipo
custa em média 4500€/kW, estima-se que em 2030 este custará
300€/kW.
As expectativas para o futuro deste tipo de sistema
(Concentração/Stirling) passam também por investimentos de grande
escala, que consiste em construir grandes instalações de produção de
energia através de milhares de dispositivos Concentrador/Stirling.
De modo a combater os problemas associados ao aquecimento
global devido às elevadas emissões de carbono para atmosfera, é
muito importante apostar em sistemas de produção de energia a partir
de fontes renováveis, como o vento, os oceanos, a biomassa e o sol,
cujas emissões de carbono são praticamente nulas, pelo que o motor
de Stirling representa um ótimo exemplo para esta luta.
Portugal apresenta excelentes condições de aproveitamento da
energia solar, pelo que seria bastante vantajoso a vários níveis
(económicos, ambientais, etc.) a implementação de mais sistemas
solares para a produção de energia elétrica.
Consideramos este trabalho bastante importante na nossa
aprendizagem, pois sentimos que é de grande importância relacionar
conhecimentos teóricos, aprendidos nas aulas, com conhecimentos
práticos, como o manuseamento de diversos materiais, de forma
adquirir experiências que nos podem ser úteis num futuro próximo.
Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
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Bibliografia
http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling;
http://ciencia.hsw.uol.com.br/motores-stirling.htm;
http://wikienergia.com/~edp/index.php?title=Concentra%C3%A7%C3%
A3o_de_energia_solar;
http://auto.howstuffworks.com/stirling-engine1.htm;
http://sites.poli.usp.br/d/pme2600/2007/Artigos/Art_TCC_031_2007.pdf;
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAQD8AC/ciclo-stirling;
http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclo_stirling.htm;
http://motorstirling.wordpress.com/fundamentacao-teorica-2/;
http://motor-stirling-solar.blogspot.pt/p/historia.html;
http://motor-stirling-solar.blogspot.pt/p/vantagens-e-desvantagens.html.
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