Concentração de energia solar
Renováveis
Por Ricardo Pinto
História
A luz solar concentrada tem sido aplicada desde os tempos da Antiga China. Diz-se que o matemático e inventor Arquimedes terá usado escudos metálicos para concentrar raios do Sol sobre uma frota romana para a repelir da cidade de Siracusa. Auguste Mouchot usou um sistema parabólico em 1866 de forma a produzir vapor para o primeiro motor solar de vapor. Inventores como John Ericsson e Frank Shuman desenvolveram nas cinco décadas seguintes vários aparelhos concentradores para fins de locomoção, refrigeração e também irrigação. Shuman concluiu em 1913 uma central solar térmica de tubo parabólico de 55 cavalos de potência em Meadi (Egipto) com o objectivo de bombear um sistema de rega.
Tipos de sistemas concentradores
Os sistemas de concentração solar dividem-se entre concentradores de tipo solar térmico, concentradores de tipo fotovoltaico, e concentradores térmicos e fotovoltaicos (que usam simultaneamente as duas tecnologias anteriores).
Concentradores solares térmicos
Os sistemas de concentração solar térmica são usados na produção de calor/electricidade com origem renovável, neste útimo caso por meio de vapor. Utilizam lentes ou espelhos e seguidores solares para converterem a radiação solar típica em feixes concentrados, sendo estes utilizados como calor ou para alimentar uma central térmica. Existem géneros muito variados de concentradores solares térmicos, entre os quais os de tubo parabólico, os de motor Stirling, os de reflector Fresnel, e os de chaminé/torre solar. Cada método é capaz de gerar altas temperaturas e eficiências termodinâmicas correspondentes, mas variam na forma como seguem o Sol e concentram a sua luz. As tecnologias estão progressivamente a tornar-se mais eficientes graças a inovações recentes.
O sistema de tubo parabólico consiste num reflector linear parabólico que concentra a luz num receptor posicionado ao longo da sua linha focal. O receptor é um tubo posicionado directamente por cima do meio do espelho parabólico, e encontra-se cheio com um fluido de trabalho. O reflector segue o Sol durante o período diurno girando ao longo de apenas um eixo. O referido fluido (por exemplo, de sais fundidos) é aquecido a uma temperatura entre 150 e 350ºC à medida que flui ao longo do receptor, sendo depois usado como fonte de calor para geração eléctrica. São o tipo mais habitual de concentrador solar térmico.
Os reflectores lineares Fresnel são sistemas de concentração que usam um grande número de espelhos finos e compridos (em vez de espelhos parabólicos) para concentrar luz solar em dois tubos com fluido de trabalho. Possuem a vantagem de utilizarem espelhos planos (que são muito mais baratos que os parabólicos) e de permitirem colocar mais reflectores no mesmo espeço conseguindo assim captar mais luz disponível.
Os motores Stirling baseiam-se num reflector parabólico isolado que concentra luz sobre um receptor posicionado no ponto focal do receptor. O reflector segue o movimento solar através de dois eixos. O fluido de trabalho localizado no receptor é aquecido a 250-700ºC e depois aplicado num motor Stirling para gerar energia. Este tipo de mecanismo possui o nível mais alto de eficiência de conversão de luz solar para electricidade entre as diversas tecnologias CSP, e o seu carácter modular facilita a construção em grande escala.
O sistema de chaminé solar consiste numa grande divisão delimitada por paredes de vidro que converge de forma concêntrica para uma torre ou chaminé oca. O Sol aquece o ar no interior daquela espécie de estufa, que é então encaminhado para a chaminé e ascende de forma muito rápida para fazer girar turbinas de ar. Estas turbinas produzem desta maneira energia eléctrica. Este processo tem um design bastante simples, e poderá ser uma opção viável em países em vias de desenvolvimento.
Finalmentte, o sistema de torre solar consiste num conjunto de seguidores solares de dois eixos que concentram luz num receptor central no cimo de uma torre. O receptor contém um depósito de fluido (que pode ser água do mar). Este fluido é aquecido a temperaturas entre os 500 e os 1000ºC e utilizado como fonte de calor para gerar energia eléctrica. Este tipo de tecnologia é menos avançado do que os sistemas tubulares mas oferece uma maior capacidade de armazenamento de energia.
Concentradores fotovoltaicos
Os sistemas de concentração fotovoltaica aplicam luz solar concentrada sobre superfícies fotovoltaicas para fins de produção eléctrica. Podem ser utilizados concentradores solares de diversos tipos, que são normalmente instalados sobre seguidores solares para manter o ponto de focagem sobre a superfície da célula à medida que o Sol se vai movendo no céu. Têm vindo a ser desenvolvidas pesquisas sobre este género de sistemas desde os anos 70, e o primeiro sistema concentrador moderno foi concluído no final da mesma década nos Sandia National Laboratories (EUA). Este usava uma lente Fresnel de acrílico que focava luz solar sobre células de silício arrefecidas a água. Um sistema alternativo desenvolvido por Ramón Areces na mesma altura usava lentes Fresnel híbridas de vidro-silicone e era capaz de arrefecer as suas células de silício com um dissipador de calor passivo.
Os concentradores solares luminescentes podem (quando combinados com células de tipo fotovoltaico) ser considerados concentradores fotovoltaicos, e permitem ampliar de forma considerável o desempenho de módulos fotovoltaicos.
As propriedades dos semicondutores permitem que as células solares operem de maneira mais eficiente sob luz concentrada desde que a temperatura das suas junções seja mantida baixa por meio de dissipadores de calor. As fotovoltaicas de tipo concentrado funcionam melhor em dias solarengos, já que as nuvens e o tempo encoberto geram luz difusa que não pode ser concentrada. Espera-se que estes sistemas alcancem no futuro eficiências na ordem dos 50%.
Os sistemas concentradores fotovoltaicos são vantajosos em comparação com os sistemas fotovoltaicos de módulos planos já que a sua área de colector é menos dispendiosa do que uma área equivalente de células solares. O seu hardware de sistema (colector e seguidor) tem um custo estimado de 3 dólares/watt, enquanto que o dos módulos planos de silício é de 3 a 5 dólares/watt. Espera-se a tecnologia atinja paridade de rede em 2011.
Os sistemas de baixa concentração são sistemas com concentrações entre 2 e 100 sóis. Os de média concentração conseguem concentrações entre 100 e 300 sóis. Por fim, os de alta concentração ultrapassam os 300 sóis.
Concentradores térmicos e fotovoltaicos
Este tipo de concentradores produz simultaneamente calor e electricidade com o mesmo módulo. O calor pode ser empregue no aquecimento de água, alimentação de sistemas de ar condicionado, desalinização, etc. Estes sistemas podem ser utilizados domesticamente, e aumentam a geração total de energia de painéis com 10-20% de eficiência para 40-50%. Produzem para além disso mais energia térmica no Inverno do que colectores térmicos de tipo convencional.
Fonte
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