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3. Sistemas Térmicos Solares

Última modificação: 31.07.2012
Índice [Esconder]

PLANTAS DE CONCENTRADORES PARABÓLICOS

            Para a geração de calor a temperaturas acima de 150°C é indicado o uso de concentradores, pois sistemas sem concentradores ou com baixa taxa de concentração não são eficientes (tanto térmica quanto economicamente) (DGS, 2005).

            A demanda por calor de processo é mais comum entre as faixas de 80 a 250°C e de 900 a 1500°C. Aplicações de baixa temperatura de processo (80 a 250) eram responsáveis nos primeiros anos de 2000 por uma demanda de cerca de 300 milhões MWh na União Européia (equivalente a 8% da demanda por energia final) (DGS, 2005).

Os sistemas industriais ligados aos coletores concentradores não diferem muito de sistemas convencionais que geram calor de processo. A peça chave do sistema é o campo de coletores e o arranjo dos coletores no solo ou em terraços de edifícios. Um fluido de calor circula pelo campo. Ao medir a temperatura do fluido na saída do coletor, um sistema de controle regula a vazão do fluido em função da radiação. O calor ganho pelo fluido é então transferido em um trocador de calor, de onde é utilizado em algum processo industrial ou armazenado em tanques para uso posterior (DGS, 2005). Alguns arranjos possíveis são apresentados nos esboços das Figura 16 e Figura 17.

Figura 16 – Sistema colar sem e com armazenamento
Fonte: DGS (2005)

Figura 17 – Diferentes arranjos para integrar um sistema solar a um sistema convencional de calor
Fonte: DGS (2005)

O sistema de integração mais simples é o uso do calor absorvido diretamente em um processo industrial que necessite de calor. O ideal é que o sistema solar de fornecimento de calor seja instalado o mais próximo possível à demanda de calor, para evitar perdas no transporte do calor (DGS, 2005).

            De acordo com (DGS, 2005), por razões econômicas esse arranjo precisa ser dimensionado de modo que o sistema sempre demande mais calor que o calor máximo gerado pelos coletores. Ademais, quanto mais tempo for demandado calor, melhor economicamente seria este arranjo, segundo o mesmo documento, (DGS, 2005), o ideal seria que a demanda de calor ocorresse continuamente ao longo de sete dias na semana. Entretanto, isso não é o padrão de demanda, e o mais comum é o funcionamento cerca de cinco a seis dias na semana e com frequentes interrupções, portanto, nestes casos é recomendado o uso de tanques de armazenamento.

            O dimensionamento pode ser dividido em três tipos (DGS, 2005):

- capacidade de armazenamento de curto prazo, com capacidade de algumas horas, para atendimento das flutuações diárias;

- armazenamento com capacidade de alguns dias;

- ou sazonal.

Segundo (DGS, 2005), o melhor arranjo para armazenamento de calor é com o uso de dois tanques, um a baixa temperatura e outro a alta temperatura. Em momentos de excesso de calor, parte do calor é transferido para um fluido de armazenamento (em geral sal fundido) em um trocador de calor, que aquece o fluido do tanque mais frio e o conduz ao tanque mais quente. Em momentos de baixa radiação, períodos nublados, ou mesmo a noite, o fluido quente do tanque de armazenamento pode ser reconduzido ao trocador de calor, para desta vez transferir calor ao sistema de geração de trabalho.

            O Esboço de um sistema solar de geração de energia elétrica e com tanques reservatórios é apresentado na Figura 18. Para a geração de eletricidade é utilizado um bloco de potência composto por uma turbina a vapor, gerado a partir do calor absorvido pelos coletores.

            Outro arranjo é mostrado na Figura 19, no qual ao invés de um sistema de armazenamento, há uma caldeira auxiliar para complementar o calor obtido pelos coletores. A caldeira em geral utiliza combustível fóssil, entretanto nada impede, conforme citado por DGS (2005), que seja utilizada uma caldeira capaz de operar com biomassa ou hidrogênio, evitando assim emissões adicionais de CO2.

            É ainda possível um sistema que contenha tanto o sistema auxiliar com caldeira quanto o armazenamento de calor.

Figura 18 – Sistema solar de geração de eletricidade com armazenamento de calor
Fonte: DGS (2005)

Figura 19 – Sistema solar de geração de eletricidade com caldeira auxiliar
Fonte: DGS (2005)

Outra configuração possível é o aquecimento direto da água nos coletores (conforme Figura 20), gerando vapor (a alta pressão e cerca de 400°C) sem a necessidade de um fluido de transferência de calor nem de um trocador de calor. Este arranjo economiza em equipamentos e em fluidos, entretanto possui algumas desvantagens técnicas em função do escoamento bifásico e é menos usado na prática por enquanto (DGS, 2005 e KALOGIROU, 2009).

Figura 20 – Sistema solar de geração de eletricidade (geração de vapor diretamente nos coletores)
Fonte: DGS (2005)

            As configurações até agora apresentadas, com as devidas adaptações, servem para integração de qualquer que seja o tipo de concentrador com os demais equipamentos industriais. Entretanto alguns modelos de torre concentradora são detalhados a seguir.

PLANTAS DE TORRE CONCENTRADORA

Nesse sistema, centenas ou até milhares de refletores são posicionados em torno de uma torre central. Cada refletor rastreia o sol de modo a refletir a radiação ao receptor central (DGS, 2005).

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

- de transferência de calor;

- água para operação de uma turbina a vapor (ciclo Rankine);

- ou ar para operação de uma turbina a gás (ciclo Brayton ou combinado).

São três as configurações do sistema coletor/receptor (KALOGIROU, 2009):

            - os heliostatos estão em volta da torre em 360° e o receptor é cilíndrico e com o trocador de calor localizado na superfície externa da torre;

            - os heliostatos ficam a norte (no hemisfério norte ou sul no hemisfério sul) da torre e o trocador de calor é interno a torre;

            - os heliostatos se posicionam em relação à torre da mesma forma que o anterior, mas o receptor é um plano vertical com um trocador de calor externo apenas na face direcionada para os heliostatos.

O sistema de transporte de calor consiste basicamente de tubulações, bomba e válvulas e direciona o fluido de transferência de calor em um circuito fechado entre o receptor, o armazenamento e o sistema de geração de trabalho (KALOGIROU, 2009).

Assim como apresentado anterior, o uso de um sistema de armazenamento térmico capaz de guardar a energia térmica para utilização em outro instante no sistema de geração de trabalho, desacopla o sistema de captação de energia solar da conversão para trabalho/eletricidade (DGS, 2005; KALOGIROU, 2009).

            A Figura 21 apresenta o esboço de uma planta de geração elétrica de torre de concentração. A torre aquece ar em ciclo aberto, podendo ou não haver um queimador adicional, que vaporiza água em um trocador de calor para operação de uma turbina a vapor. Enquanto na Figura 22, o ar é pressurizado dentro do receptor e utilizado para operar uma turbina a gás em um ciclo combinado para geração de eletricidade.

            Ao invés de ar, o fluido aquecido dentro da torre pode ser um fluido de transferencia de calor e ser integrado ao restante da planta de modo similar aos apresentados nas Figura 16 a Figura 19, ou diretamente água como na Figura 20 (DGS, 2005; KALOGIROU, 2009).  

Figura 21 – Torre de concentração de receptor aberto (fluido aquecido: ar)
Fonte: DGS (2005)

Figura 22 – Torre de concentração de receptor de volume fechado e pressurizado (fluido aquecido: ar)
Fonte: DGS (2005)

CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO E OPERAÇÃO DE UMA PLANTA SOLAR

            Quanto ao dimensionamento da planta, para o mesmo tamanho do campo de concentradores solares, a proporção entre o campo, os tanques de armazenamento e a turbina do bloco de potência podem variar em função da aplicação e do regime de operação desejados.

            A partir de um campo solar pré-definido e para uma mesma produção de eletricidade, IEA (2010) apresenta quatro plantas hipotéticas. Na primeira, Figura 23, supondo uma baixa capacidade de armazenamento e uma turbina de 205MW, a planta geraria eletricidade aproximadamente das 8:00 horas as 19:00 horas, tendo sido classificada por IEA (2010) como uma planta de carga de geração intermediária.

            Uma segunda planta, com reservatório de médio porte e mesma turbina que a anterior, poderia deslocar sua geração de eletricidade acumulando energia no tanque durante as primeiras horas de sol e assim gerar energia das 12:00 horas as 23:00 horas, por exemplo (vide Figura 24).  

Figura 23 – Planta solar para operação em carga intermediária
Fonte: IEA, 2010

Figura 24 – Planta solar para operação em carga intermediária atrasada
Fonte: IEA, 2010

Para operação na base, seria necessária grande capacidade de armazenamento, e a turbina seria de menor porte (no exemplo, 120MW, menos da metade das anteriores). Com esta configuração, a planta operaria 24 horas por dia, conforme pode ser visto na Figura 25.

            Também com o mesmo grande reservatório, porém com uma turbina bem maior, de 620MW, a planta seria capaz de gerar uma grande quantidade de energia em curto espaço de tempo e unindo o calor absorvido com o armazenado no tanque, geraria eletricidade das 11:00 horas as 15:00 horas, conforme Figura 26.

Figura 25 – Planta solar para operação na base
Fonte: IEA, 2010

Figura 26 – Planta solar para operação no pico
Fonte: IEA, 2010

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