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2. Coletores Solares

Última modificação: 28.04.2016
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Coletores solares são trocadores de calor que transformam radiação solar em calor. O coletor capta a radiação solar, a converte em calor, e transfere esse calor para um fluido (ar, água ou óleo em geral) (KALOGIROU, 2009).

Os coletores podem ser basicamente de dois tipos: não-concentradores e concentradores. Os coletores não concentradores possuem a mesma área de abertura (área para interceptação e absorção da radiação) e são aplicáveis para sistemas que necessitem de baixa temperatura. Em aplicações que demandem temperaturas mais elevadas, são mais adequados os concentradores solares, que possuem em geral uma superfície refletora (em alguns modelos são utilizadas lentes) que direcionam a radiação direta a um foco, onde há um receptor pelo qual escoa o fluido absorvedor de calor (KALOGIROU, 2009).

Os coletores solares ainda podem ser classificados em estacionários ou rastreadores. Dentre os rastreadores, os coletores podem rastrear em um eixo ou em dois eixos. Uma listagem com os principais modelos, bem como algumas características de cada um, é apresentada na Tabela 1 (KALOGIROU, 2009).

Tabela 1 – Classificação dos coletores solares por graus de rastreamento

MotoraColetorReceptorTaxa de concentração[2]Faixa de temperatura (°C)
Estacionário solar plano Plano 1 30 a 80
tubular a vácuo Plano 1 50 a 200
parabólico composto Tubular 1 – 5 60 a 240
Rastreamento em 1 eixo 5 – 15 60 a 300
Refletor linear Fresnel Tubular 10 – 40 60 a 250
cilíndrico parabólico Tubular 10 – 85 60 a 400
Rastreamento em 2 eixos Disco parabólico Pontual 600 – 2000 100 a 1500
Heliostato(torre central) Pontual 300 – 1500 150 a 2000

Fonte: KALOGIROU (2009)

Os coletores solares com concentração podem ser utilizados em diferentes sistemas para geração de energia elétrica. Os principais tipos de sistema encontram-se listados na Tabela 2.

Tabela 2 – Características de diferentes tecnologias CSP

TecnologiaFaixa de capacidade indicada (MW)Taxa de concentraçaoEficiência solar-elétrica (%)Área requerida (m²/kW)*
Parabólico
10-200
70-80
10-15
18
Fresnel
10-200
25-100
9-11
-
Torre
10-150
300-1000
8-10
21
Disco
0,01-0,4
1000-3000
16-18
20

Dados: KALOGIROU (2009), *BEERBAUM e WEINREBE (2000)

CONCENTRADORES CILÍNDRICOS-PARABÓLICOS

Os coletores cilindrícos parabólicos são revestidos por um material refletor em formato parabólico. Ao longo da linha de foco do refletor parabólico é colocado um tubo metálico preto, coberto por um tubo de vidro para evitar perdas de calor, denominado receptor (KALOGIROU, 2009). À guisa de exemplificação, vide fotos nas Figura 6 e Figura 7.

Figura 6 – Concentrador parabólico
Fonte: DARKOPTIMISM (2011)

Figura 7 – Concentrador parabólico
Fonte: RENEWABLE POWER NEWS (2009)

Quando a parábola aponta para o sol, os raios diretos do sol são refletidos pela superfície e concentrados no receptor (vide Figura 8). A radiação concentrada aquece o fluido que circula internamente no tubo. (KALOGIROU, 2009)

Figura 8 – Desenho esquemático da concentração da radiação em um concentrador parabólico
Fonte: SOLARPACES (2011) apud LODI (2011)

É comum serem construídos com sistema de rastreamento de um eixo, podendo ser orientados no sentido leste-oeste com rastreamento do sol de norte a sul, ou no sentido norte-sul rastreando o sol de leste a oeste (esboço na Figura 9) (KALOGIROU, 2009).

- sentido leste-oeste: tem como vantagens o fato de mover-se pouco ao longo de todo o dia e de sempre ficar diretamente voltado para o sol ao meio-dia. Em contrapartida, tem uma performance reduzida no início do dia e no fim da tarde, devido aos maiores ângulos de incidência dos raios solares sobre a superfície coletora.

- sentido norte-sul: tem os maiores ângulos de incidência durante o meio-dia e consequentemente as maiores perdas de calor nessa fase do dia, enquanto aponta mais diretamente para o sol no início do dia e no fim da tarde.

Durante o período de um ano, o coletor direcionado no sentido norte-sul absorve um pouco mais de energia que um orientado leste-oeste. Entretanto, o coletor norte-sul coleta mais calor no verão e menos no inverno que um leste-oeste, que possui uma produção de energia mais uniforme ao longo do ano. Portanto, a escolha da orientação depende também da aplicação e de quando há mais necessidade de energia, ou seja, se a demanda sofre significativa variação em função da estação do ano, inverno ou verão, ou se varia mais durante as horas do dia. (KALOGIROU, 2009)

Figura 9 – Rastreamento do sol no sentido leste-oeste
Fonte: ABS (2010)

Os concentradores parabólicos são a mais madura tecnologia solar de geração de calor e pwermitem o aquecimento de fluidos a temperaturas de até 400ºC. A energia deste fluido pode ser usada para geração elétrica ou para calor de processo (KALOGIROU, 2009).

            As primeiras plantas comerciais do tipo no mundo começaram a operar em meados da década de 1980 no estado da Califórnia, EUA (vide Tabela 3). Um complexo de 9 plantas conhecidas como SEGS (Solar Electric Generating Systems), numeradas de um a nove em algarismos romanos. Nessas plantas, foram utilizados três projetos diferentes de coletores: LS-1 na SEGS I, LS-2 nas SEGS II a VII e LS-3 para as SEGS VII a IX. (KALOGIROU, 2009)

Tabela 3 – Características das 9 plantas SEGS da Califórnia

PlantaAno de operaçãoPotência Líquida (MWe)Temp. de saída do fluido (°C)Área do Campo Solar(mil m²)Eficiência da turbina solar(%)Eficiência da turbina fóssil(%)Produção Anual(MWh)
SEGS I 1985 13,8 307 83 31,5 - 30.100
SEGS II 1986 30 316 190 29,4 37,3 80.500
SEGS III 1987 30 349 230 30,6 37,4 92.780
SEGS IV 1987 30 349 230 30,6 37,4 92.780
SEGS V 1988 30 349 250 30,6 37,4 91.820
SEGS VI 1989 30 390 188 37,5 39,5 90.850
SEGS VII 1989 30 390 194 37,5 39,5 92.646
SEGS VIII 1990 80 390 464 37,6 37,6 252.750
SEGS IX 1991 80 390 484 37,6 37,6 256.125

Fonte: KALOGIROU (2009)

A EuroTrough desenvolveu um tipo de coletor mais moderno que os modelos LS-2 e LS-3 usados nas SEGS, com menor peso e sujeito a menores deformações devidos ao peso morto e às cargas consequentes do vento. Isso reduz os esforços de torção e flexão da estrutura durante a operação, o que acarreta em melhor performance ótica e consequentemente maior eficiência. O peso da estrutura de aço é cerca de 14% menor que o modelo LS-3 (KALOGIROU, 2009).

A Tabela 4 apresenta dados de um modelo de concentrador parabólico construído pela Industrial Solar Technology (IST) Corporation. O coletor parabólico IST foi testado e avaliado no Sandia National Laboratory e no German Aerospace Centre para eficiência e durabilidade (KALOGIROU, 2009).

Tabela 4 – Dados do coletor IST

ParâmetroValor/tipo
Ângulo de abertura do coletor 70°
Superfície refletiva Acrílica prateada
Material do receptor Aço
Abertura do coletor 2,3m
Tratamento da superfície do receptor Níquel escurecido altamente seletivo
Absorbância 0,97
Emitância (80C) 0,18
Transmitância do vidro de revestimento 0,96
Diâmetro externo do absorvedor 50,8mm
Precisão do mecanismo de rastreamento 0,05°
Orientação do coletor Eixo N-S
Modo de rastreamento Horizontal leste-oeste

Fonte: KALOGIROU (2009)

RECEPTOR

O receptor é instalado na linha de foco dos concentradores e costuma ter de 25 a 150 metros de comprimento. Sua superfície é revestida por uma cobertura com alta absorbância a irradiação solar e baixa emitância para irradiação térmica (infravermelho) (KALOGIROU, 2009).

Em geral uma cobertura de vidro é usada ao redor do receptor para reduzir as perdas por convecção do receptor para o ar ambiente, reduzindo assim o coeficiente de perda de calor. Uma desvantagem é que a luz refletida pelo coletor tem de atravessar o vidro, adicionando assim uma transmitância (de aproximadamente 0,9 quando o vidro está limpo). Outra medida comum para redução das perdas por convecção é manter um vácuo no espaço entre o vidro e o tubo receptor (KALOGIROU, 2009).

MECANISMOS DE RASTREAMENTO

O mecanismo de rastreamento deve ser confiável dentro de um limite de acuidade para rastrear o sol ao longo do dia, inclusive durante dias nublados intermitentes, e retornar à posição original ao fim do dia ou durante a noite (KALOGIROU, 2009).

Além disso, o mesmo sistema também é utilizado como mecanismo de proteção, desviando o concentrador do foco em caso de superaquecimento, rajadas de vento e falhas no mecanismo de escoamento do fluido (KALOGIROU, 2009).

Os mecanismos podem ser divididos em (KALOGIROU, 2009):

- mecânico

- sistemas eletro-eletrônicos (maior confiabilidade e acuidade)

            - mecanismos baseados em sensores que detectam a magnitude da iluminação solar para controlar o motor que posiciona o coletor

            - mecanismos baseados em sensores que medem o fluxo solar no receptor

            - rastreamento “virtual”

            O rastreamento “virtual” dispensa os sensores utilizados no rastreamento tradicional e opera baseado em um algoritmo matemático que calcula a posição do sol em função da data e hora e da localização (coordenadas de latitude e longitude) da planta (KALOGIROU, 2009).

COLETOR FRESNEL

            Os coletores Fresnel têm duas variações: o coletor Fresnel de lentes e o refletor linear Fresnel. O primeiro consiste de um material plástico transparente de modo a concentrar os raios a um receptor, enquanto o segundo é formado por uma série de tiras planas lineares de espelho (vide esquema na Figura 10 e fotos na Figura 11) (KALOGIROU, 2009).

O refletor linear Fresnel pode ter diferentes arranjos. Os espelhos podem ser alinhados como uma parábola. Outro arranjo possível é a disposição das tiras de espelho no chão (ou em outro terreno plano) e a luz ser concentrada em uma receptor linear montado em uma torre. (KALOGIROU, 2009)

Uma desvantagem do refletor linear Fresnel é o cuidado necessário no projeto para evitar que um espelho cause sombra em outro, aumentando o tamanho da área a ser ocupada pela planta (KALOGIROU, 2009).

Os modelos Fresnel não são ainda uma tecnologia madura e a maior parte das plantas existentes no mundo são plantas piloto, com algumas poucas plantas comerciais de baixa potência (de 1 a 5 MW) em operação nos EUA e na Espanha (KALOGIROU, 2009).

Figura 10 – Desenho esquemático do refletor linear Fresnel
Fonte: AREVA (2011) apud LODI (2011)

Figura 11 – Refletor Fresnel
Fonte: AREVA (2011) apud LODI (2011)

DISCO PARABÓLICO

            O disco parabólico é um concentrador de foco pontual, (vide esboço na Figura 12 e foto na Figura 13). O disco rastreia o sol em dois eixos, e assim é capaz de apontar diretamente para o sol desde o nascer até o poente (KALOGIROU, 2009).

Figura 12 – Esboço de um concentrador de disco parabólico
Fonte: DGS (2005)

Figura 13 – Foto de um concentrador de disco parabólico
Fonte: GLOBAL NEVADACORP (2011)

Por possuir uma concentração pontual e sistema de rastreamento em dois eixos, o disco parabólico possui as maiores taxas de concentração (600 a 2000) e por essa razão é o coletor mais eficiente. Consequentemente, atinge temperaturas mais altas (de 100°C a 1500°C), atrás apenas da torre de concentração (que pode atingir até 2000°C) (KALOGIROU, 2009).

            O disco pode operar de forma independente (indicado para uso em regiões isoladas) ou como parte de uma planta composta por vários discos (KALOGIROU, 2009).

            Os raios solares incidem sobre a parábola e são concentrados no ponto focal da parábola, onde aquecem o fluido circulante. Esse calor pode ser usado de duas maneiras (KALOGIROU, 2009):

- ser transportado por tubulação para um sistema central;

- ou ser transformado diretamente em eletricidade em um gerador acoplado diretamente no receptor (o mais comum é que o gerador opere de acordo com o ciclo Stirling, apesar de existirem outras configurações possíveis. Por esta razão o concentrador em disco também é chamado de dish-stirling.

            O segundo modelo é o mais comum. Em geral é mais interessante tanto técnica (devido a perdas térmicas) quanto economicamente gerar eletricidade em cada disco, do que conduzir o calor de cada disco até um sistema de geração central (KALOGIROU, 2009).

            À guisa de exemplificação, a Tabela 5 apresenta algumas características do modelo disco parabólico da EuroDish.

Tabela 5 – Características do modelo EuroDish

Diâmetro do concentrador 8,5m
APERTURE 56,6m²
Distância focal 4,5m
Taxa de concentração média 2500
Capacidade elétrica bruta 9kW
Capacidade elétrica líquida 8,4kW
Refletividade 0,94
Fluido de trabalho Hélio
Pressão do gás 20-150bar
Temperatura do receptor e do gás 650°C

Dados: DGS (2005)

TORRE CENTRAL

Um campo de coletores de heliostatos é composto de vários espelhos planos (ou levemente côncavos), capazes de rastrear o sol em dois eixos, e que reflete os raios do sol na direção de um receptor central, instalado no alto de uma torre, sendo assim, esse tipo de planta é conhecida como torre de concentração (KALOGIROU, 2009). A Figura 14 apresenta um esboço de uma planta de torre de concentração e a Figura 15 mostra uma vista aérea de duas plantas na Espanha.

            Cada heliostato é composto por quatro espelhos instalados no mesmo pilar, com área refletora total de 50 a 150m² (KALOGIROU, 2009).

O calor concentrado absorvido no receptor é transferido para um fluido circulante que pode ser armazenado e/ou utilizado para produzir trabalho (KALOGIROU, 2009).

A torre de concentração possui algumas vantagens (KALOGIROU, 2009):

- os espelhos coletam a luz solar e a concentram em um único receptor, minimizando assim o transporte de energia térmica;

- assim como o concentrador em disco, por concentrar os raios solares em um único receptor central e por rastrear o sol em dois eixos, possui altas taxas de concentração, de 300 a 1500, menor apenas que o disco;

- indicados para sistemas de maior porte (de 10 MW para cima).

Figura 14 – Esboço de uma torre de concentração
Fonte: DGS (2005)

Figura 15 – Foto das torres de concentração PS10 e PS20 na Espanha
Fonte: ABENGOA (2012)


[2] A taxa de concentração é a razão entre a área de abertura do coletor (não a área de superfície dos espelhos, mas sim a área do plano perpendicular ao raio incidente) sobre a área de absorção do receptor. O Concentrador reflete a radiação solar direta que incide em uma grande área em uma área menor (KALOGIROU, 2009).

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