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Title in Portuguese: Estudo paramétrico de um sistema fotovoltaico off-grid para operação de um tubo de vórtice
Title: Parametric study of an off-grid photovoltaic system for operation of a vortex tube
Author: Modolo, Angelo Bezerra
Advisor(s): Silva, Maria Eugênia Vieira da
Co-advisor(s): Rocha, Paulo Alexandre Costa
Keywords: Engenharia mecânica
Ar comprimido
Energia renovável
Energia solar
Vortex tube
Photovoltaic systems
Compressed air
Issue Date: 26-Nov-2019
Citation: MODOLO, A. B. Estudo paramétrico de um sistema fotovoltaico off-grid para operação de um tubo de vórtice. 2019. 118 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.
Abstract in Portuguese: Tubos de vórtice são dispositivos passivos que quando alimentados por ar comprimido produzem a separação do fluido em uma saída fria e uma saída quente, sem necessidade de aporte de trabalho ou uso de partes móveis. O tubo de vórtice apresenta a vantagem de não requerer refrigerantes para funcionar, diferentemente dos ciclos tradicionais de refrigeração por compressão de vapor. Estes devem apresentar boas propriedades termodinâmicas, mas frequentemente apresentam características indesejáveis como potencial de efeito estufa, inflamabilidade e/ou toxicidade. Desta forma, o presente trabalho propõe o fornecimento de ar comprimido para o tubo de vórtice através de um compressor alimentado por um sistema fotovoltaico, composto por um arranjo de módulos fotovoltaicos, banco de baterias, controlador de carga, inversor de frequência, compressor e tanque de armazenamento de ar comprimido. Dados meteorológicos de um dia de funcionamento de um sistema experimental de bombeamento foram utilizados como base para modelagem e simulação dos componentes do sistema proposto. Ao todo, 168 configurações distintas foram avaliadas para o sistema fotovoltaico, variando-se a potência instalada de painéis fotovoltaicos, a capacidade das baterias e a potência do compressor com o objetivo de determinar o tempo máximo de funcionamento deste ao longo de um dia. As diferentes configurações foram testadas para três condições distintas de estado de carga inicial da bateria. Paralelamente, o sistema mecânico foi estudado em nove diferentes configurações, variando a potência do compressor e o volume do tanque, para três condições distintas de pressão inicial do tanque de armazenamento. Observou-se que o tempo que sistema fotovoltaico é capaz de alimentar o compressor ao longo de um dia é fortemente dependente da capacidade da bateria e da estratégia de controle por tensão. Bancos de bateria muito grandes quando descarregados exigem tempos elevados para carregamento e podem implicar em um dia completo de funcionamento do sistema dedicado ao carregamento das baterias, sem acionamento do compressor. Por outro lado, quando inicialmente carregadas, existe um valor mínimo de capacidade que é suficiente para manter o sistema em funcionamento durante todo o dia para alguns configurações. Assim, a maior parte das configurações apresentam valores ótimos de bancos de bateria que se encontram na faixa entre 360 Ah e 1050 Ah. Por fim, observou-se que apenas o compressor de 15 hp é capaz de alimentar o tubo de vórtice ininterruptamente.
Abstract: Vortex tubes are passive devices which split a compressed air inlet into a cold and a hot outlets without work input or movable parts. Vortex tube has advantages over traditional vapor compression refrigeration cycles, which use refrigerants. These fluids must present good thermodynamic properties, but often present undesirable characteristics as global warming potential, flammability and/or toxicity. Therefore, present work proposes supplying compressed air to the vortex tube through a compressor connected to a photovoltaic system, made of a photovoltaic modules array, a battery pack, charge controller, variable frequency drive, compressor and compressed air storage tank. Meteorological data from one operation day of an experimental pumping system were used to model and simulate the proposed system components. Altogether, 168 distinct photovoltaic system setups were assessed by changing photovoltaic panels capacity, battery capacity and compressor power in order to calculate compressor maximum operation time in a day. The different setups were tested in three distinct initial battery state of charge conditions. Meanwhile, the mechanical system was studied at nine different setups with different values for compressor power and tank volume for three distinct initial tank pressure conditions. It has been observed that the interval the photovoltaic system can uphold compressor operation is strongly related to battery capacity and control strategy. Big discharged battery packs demands long charging times and can cause exclusive day-long charging, without any compressor operation. On the other hand, when initially fully charged, for a minimum value of capacity the battery packs, it can uphold day-long compressor operation for some system setups. Therefore, most of setups present optimal battery pack capacity values ranging from 360 Ah to 1050 Ah. At last, it was observed that solely the 15 hp compressor is able to uphold uninterrupted vortex tube operation.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/50330
metadata.dc.type: Dissertação
Appears in Collections:DEME - Dissertações defendidas na UFC

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