12-LagoaSolar

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LAGOA SOLAR
“SOLAR POUND”
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Outubro 2009
Introdução
Os lagos, lagoas e mares absorvem radiação solar. Normalmente, o 
calor absorvido é perdido quando a água aquecida sobe devido á
convecção para a superfície e é resfriada por evaporação e convecção. 
A água é um mal condutor de calor, e se a convecção for impedida o 
calor pode ser armazenado no fundo do lago. Um lago salgado 
(idealmente com 3m de profundidade), operado de tal forma que a água 
na parte superior possua (relativamente) baixa salinidade, e a água no 
fundo alta salinidade
Mas se a água possui alto teor de sais, o movimento convectivo é
restringido devido a alta densidade provocada pela alta salinidade. 
Assim, a água na metade inferior da lagoa se torna cada vez mais 
quente. Nas lagoas solares a temperatura pode atingir 100 ºC. A 
profundidade ideal é cerca de 3 m.
O principal problema operacional é extrair o calor em altas taxas de 
modo o lago não entre em ebulição ou reverta o processo e passe a 
perder calor.
Lagoas naturais com um gradiente salino são encontradas em várias 
partes do mundo. O fenômeno foi primeiramente observado na 
Transilvania por volta de 1900.
Os lagos de gradiente salino natural são formandos quando água fresca 
flui até um bride salino e mistura formando um gradiente salino. 
As aplicações do gradiente salino incluem usar o gradiente salino para 
proteger os peixes da morte pele frio na aqüicultura, para controlar a 
cristalização em certas operações de mineração, e para obter altas 
temperaturas para dessanilização da água ou produção de eletricidade.
Introdução
Lagos naturais (mar morto) ou artificiais, onde o sal se torna mais solúvel 
com o aquecimento solar. A água no fundo se torna mais salgada e mais 
quente, e é isolada pela água menos salgada no topo.
As temperaturas no fundo podem atingir até 100°C e podem ser utilizadas 
para gerar eletricidade.
Introdução
Introdução
A lagoa solar é simplesmente uma piscina de água salgada que coleta 
e armazena a energia térmica solar. A água salgada forma 
naturalmente um gradiente vertical de salinidade (halocline), onde a 
água de baixa salinidade flutua no topo da água de alta salinidade. As 
camadas das soluções de sal aumentam a concentração (e assim a 
densidade) com a profundidade. Abaixo a uma certa profundidade, a 
solução tem uma alta concentração de sal uniforme.
A lagoa solar consiste de 3 camadas principais:
1) A camada do topo está próxima à temperatura ambiente e possui 
baixo teor de sais.
2) A camada do fundo é quente, tipicamente 71–100°C, e com alto teor 
de sais.
3) A zona de gradiente de sal funciona como um isolante transparente, 
permitindo que a radiação solar seja absorvida pela camada do fundo 
(onde o calor é retirado). Isto ocorre porque o gradiente de sal, que 
aumenta a densidade do brine com a profundidade, se contrapõe ao 
efeito da água aquecida abaixo (que de outra maneira subiria à
superfície e perderia o calor para o ar. 
Uma máquina com ciclo Rankine orgânico é utilizada para converter a 
energia térmica em eletricidade
Introdução
Introdução
Existem 3 camadas de água distintas em uma lagoa solar:
* Camada superior - Baixa concentração de sal.
* Camada Intermediária - Camada com um gradiente de salinidade, 
que estabelece um gradiente de densidade, que impede a transmissão 
de calor por convecção.
* Camada inferior - Alto teor de sais.
Introdução
O gradiente de densidade (linha contínua) é crítico para a estabilidade. 
Positivo quando frio (A), o gradiente diminui quando aquecido (B). Se o 
gradiente reverte, o que ocorre quando as camadas do fundo se tornam 
excessivamente aquecidas para sua densidade, pode iniciar uma 
convecção, uma vez que as camadas inferiores da água podem estar 
menos densas, que a água acima dela (C). As linhas pontilhadas mostram 
a variação da temperatura com a profundidade.
If the water is relatively translucent, and the pond's bottom has high
optical absorption, then nearly all of the incident solar radiation (sunlight) 
will go into heating the bottom layer.
When solar energy is absorbed in the water, its temperature increases, 
causing thermal expansion and reduced density. If the water were fresh, 
the low-density warm water would float to the surface, causing a 
convection current. The temperature gradient alone causes a density
gradient that decreases with depth. However the salinity gradient forms a 
density gradient that increases with depth, and this counteracts the
temperature gradient, thus preventing heat in the lower layers from
moving upwards by convection and leaving the pond. This means that
the temperature at the bottom of the pond will rise to over 90 °C while
the temperature at the top of the pond is usually around 30 °C. A natural 
example of these effects in a saline water body is Solar Lake, Sinai, 
Israel.
The heat trapped in the salty bottom layer can be used for many
different purposes, such as the heating of buildings or industrial hot 
water or to drive an organic Rankine cycle turbine or Stirling engine for 
generating electricity.
Vantagens
* The heat storage is massive, so energy can be extracted day and night
- hence it is a source of 'base load' solar power - no batteries or other
storage needed !
* Solar ponds can have very large heat collection area at low cost.
* The major production potential is during peak electrical power demand
(and price) in mid summer
* The technology and scientific principles for collection and extraction of
heat and its conversion to electricity are well understood and well
documented in scientific papers.
* Any qualified engineer would be able to build one of these systems
(being a refrigeration specialist would be useful if you wanted to build a 
Rankine engine)
* The approach is particularly attractive for rural areas in developing
countries. Very large area collectors can be set up for just the cost of the
clay or plastic pond liner.
* The evaporated surface water needs to be constantly replenished.
* The accumulating salt crystals have to be removed and can be both a 
valuable by-product and a maintenance expense.
* No need of a separate collector for this thermal storage system.
Ciclo Rankine Eficiência
A energia é obtida a baixa temperatura (70 a 80°C). Considerando uma 
temperatura ambiente de 25°C, a eficiência máxima é:
1-(273+25)/(273+80)=16%.
Em comparação, um concentrador solar usando sal fundido, pode produzir 
calor a 800 °C, que possui um limite teórico de 73% (mas que pode ter um 
rendimento da ordem de 27% uma vez que o calor é rejeitado a um 
temperatura da ordem de 20 °C).
Apesar do baixo rendimento das lagoas solares o seu uso pode ser
justificado uma vez que o ‘coletor’ é somente uma lagoa forrada com 
plástico, o que permite um sistema de grande escala a baixo custo, 
gerando eletricidade a um custo inferior aos sistemas solares com 
concentração.
Alice Springs - Austrália
Lagoa solar construída em Alice Springs, Austrália (1972).
Gerador elétrico com ciclo de Rankine orgânico.
El Passo - Univ. Texas
Temperatura 85°C
Gerador elétrico com ciclo de Rankine orgânico 70 kW.
http://www.infinitepower.org/images/jspaerial.jpghttp://www.solarpond.utep.edu/
Lagoa Solar 150 kW - Israel
Solar pond power plants are discussed in light of the construction and 
operation of an experimental 150-kW installation in Ein Bokek, Israel. The
principle of the collection and storage of solar energy in salt ponds where
the salinity increases with depth is introduced, and the six polar ponds
constructed by Israel since 1960 to test the theory of solar pond energy
conversion are indicated. The facilities and operation of the Ein Bokek
plant, which utilizes a 75,000 sq m, 2.5-m deep pond in which the bottom
temperature reaches 93 C, are presented, and the design of a basic
nonconvecting solar pond for a 20 MW electric power plant is examined, 
with attention given to the water layers, pumps, evaporator, organicvapor 
turbogenerator and condenser. The performance characteristics of solar 
pond power plants, which can be started up in a few minutes and deliver
up to ten times or more of their rated output power, are pointed out as the
basis for the suggestion that they can be used initially as peaking plants in 
the power grid. The future plans of the Israeli solar pond program, which
expects to be supplying up to 2000 MW by the year 2000, are outlined, 
and potential sites for solar pond installations in other countries are 
indicated.
Lagoa Solar 150 kW - Israel
Ein Bokek,145 kW em Dezembro 1979. 
Uma bomba (A, não aparece) bombeia a salmoura da lagoa pela 
tubulação (B) para o evaporador (C), retornando a salmoura para o lago 
pelo tubo (D). O vapor orgânico do evaporador aciona uma turbina de 
baixa temperatura (E, não aparece). No condensador (F) o vapor retorna a 
fase líquida antes de voltar ao evaporador. Uma torre de resfriamento (G) 
auxilia a condensação do vapor. Uma casa de controle (H) auxilia o 
controle da operação.
Lagoa Solar 150 kW - Israel
A maior lagoa solar construída para geração elétrica foi a de Bet Ha-
Arava, Israel que operou até 1988. Ela tinha uma área de 210.000 m² e 
uma potência elétrica de 5 MW.
A maior dos EUA possui 4.000 m2, da Bruce Foods Corporation em El 
Paso, Texas.
?
A campanha de Nelson Thibau à Prefeitura em 1962 incluía trazer o mar 
para BH: “A gente constrói um aqueduto para trazer a água de Angra dos 
Reis para Belo Horizonte, retira a água que se encontra represada na Lagoa 
da Pampulha e faz uma chapada de brita com piche para proteger.”
Infelizmente Thibau não foi eleito…
Bibliografia
Bronicki, Y. L. A Solar-Pond Power Plant. IEEE Spectrum, vol. 18, Feb. 
1981, p. 56-59.
Huanmin Lu; Andrew H. P. Swift. El Paso Solar Pond. Solar Energy Eng., 
v.123, n.3, p.178, August 2001