Sistemas com recetor central (torre solar)

Os sistemas STs merecem especial atenção, por serem a tecnologia com mais evolução e diversificação no setor e devido ao potencial que têm em termos de redução de custos da energia elétrica produzida a médio e longo prazo. Prevê-se uma melhoria na capacidade de conversão solar em eletricidade (por exemplo, e até 2030, valores de 20 % utilizando sais fundidos, 28 % com vapor sobreaquecido e 35 a 40 % com gases utilizados como HTF, no qual este último é utilizado numa turbina a gás de ciclo combinado e aponta-se neste caso para um fator de capacidade superior a 50 %, atingido previsivelmente em 2050) [53], a possibilidade de armazenamento numa gama elevada de temperaturas e complementarmente um fator de capacidade muito elevado que pode ser superior a 70 % possibilitando, dependendo do tamanho do sistema de armazenamento, que estas centrais funcionem em modo de vazio (“base-load”), cheia (“intermediate-load”) ou ponta (“peak-load”) [53] [69], o que permite uma incorporação cada vez mais elevada de outros centros eletroprodutores com origem em fontes renováveis, de natureza variável, na rede elétrica.

No que diz respeito ao campo de helióstatos, estes variam de tamanho quer em termos de número de helióstatos, quer da área refletora em cada helióstato. Dado que é necessário concentrar energia num dado ponto, todos os helióstatos movem-se independentemente uns dos outros e para tal é necessário um seguimento de dois eixos, comumente utilizando os sistemas de seguimento pelo método de azimute e elevação (A-E) ou “spinning” e elevação (S-E). Este último comparado com o primeiro apresenta vantagens em termos de diminuição da dispersão (até 30 %) e em termos de consumo de energia para seguimento, que é menor [93]. Existe também a diferença entre helióstatos planos e pseudo-parabólicos, nos quais estes últimos possuem uma ligeira curvatura (“canting”) de forma a concentrar eles próprios a radiação numa área menor que os planos [94]. Podemos também distinguir os campos que se situam a norte da torre (no caso de se tratar do hemisfério norte) ou à volta da torre (ver Figura 3.4). Os primeiros concentram energia radiativa para uma cavidade no qual está inserido o recetor como a central PS10 de 11 MW e a PS20 de 20 MW (que operam com vapor saturado a temperaturas próximas de 250 °C) [52], enquanto os últimos concentram para a área total de um recetor tipicamente cilíndrico, como é o caso das torres solares comerciais como a Ivahpah de 392 MW ou a Gemasolar (onde o HTF atinge temperaturas até sensivelmente 565 °C) [82]. Por forma a maximizar a eficiência do campo solar e da utilização do solo utiliza-se muitas das vezes uma abordagem na qual a distribuição destes é bioinspirada mimetizando padrões da natureza (um bom exemplo é a central Gemasolar – Figura 3.4) [95] [96]. Relativamente aos recetores solares, é importante diferenciar aspetos que os distinguem e que resultam em mais ou menos vantagens para por exemplo a utilização de um dado HTF ou tipo de ciclo de potência empregue. Existem várias formas de categorizar os recetores, em que uma diferenciação simples é considerá-los por exemplo como externos ou de cavidade, ou ainda se o HTF é direta ou indiretamente irradiado pela radiação incidente, sendo mais comuns os de forma indireta. Distinguem-se muitas vezes os recetores tubulares (ar pressurizado, água ou sais fundidos), volumétricos (ar atmosférico ou pressurizado ou outro gás caso seja num ciclo fechado), e de partículas sólidas (permutando posteriormente com ar). Dado que as turbinas comumente utilizadas são acionadas através de vapor (Rankine) ou ar/gases de combustão (Brayton) como fluidos de trabalho, os fluidos de transferência térmica (HTF) utilizados nos diferentes tipos de recetores necessitam de um permutador de calor quando

não utilizem ar/gases de combustão ou água/vapor para este efeito. Os HTF mais comuns são os que utilizam água/vapor e mais recentemente sais fundidos ou ar [97]. Os recetores externos são os mais comuns nas torres solares atualmente instaladas (tipicamente com o campo solar a rodear 360º a torre) em particular para aquecer água em tubos, sendo que a utilização de sais fundidos é crescente nesta tipologia de recetor central. Têm uma área bastante grande exposta ao ambiente envolvente, onde as perdas radiativas e convectivas são consideráveis, pelo que formas de minimizar perdas passam por manipular a absortividade e emissividade dos materiais e principalmente reduzir a área, de tal forma que a eficiência do recetor na central Gemasolar chega a ser de 88 % em condições nominais [98]. No caso dos recetores de cavidade como é o caso da central PS10 a eficiência térmica do recetor pode chegar aos 92,4 % em condições nominais [99]. A Figura 3.4 ilustra recetores mencionados anteriormente, destacando na coluna à esquerda os mais usados atualmente nas torres comerciais (tubular exterior cilíndrico), e as imagens ao centro e direita que são ambas do tipo volumétrico (ver absorsores na Figura 3.6), as primeiras em circuito fechado (ar pressurizado) e as seguintes em circuito aberto (ar à pressão atmosférica).

Figura 3.4 - Exemplos de tipos de recetores utilizados em centrais CSP. Na coluna do lado esquerdo em cima (Gemasolar) [100] e ao meio (Crescent Dunes [101]) são tubulares a sais fundidos externos e em baixo de cavidade a vapor saturado (PS10) [102] [103]. Na coluna ao centro está um exemplo do recetor volumétrico a ar pressurizado REFOS (Cesa-1) [104] [105] e na coluna da direita correspondem ao recetor volumétrico de ar atmosférico (Julich) [105] [106].

No caso dos recetores volumétricos (portanto a ar ou outro gás) os materiais utilizados para a permuta de calor da radiação para o gás utilizado podem ser vários e com configurações distintas, dependendo principalmente do fluxo radiativo e temperatura suportáveis (e seu gradiente espacial e temporal) e das propriedades e resistências térmicas e estruturais. Na utilização de ar como HTF, e admitindo que este é no fundo um mau condutor de calor, permitem outra flexibilidade comparativamente aos recetores tubulares também a ar na medida em que possuem uma configuração tridimensional por oposição aos últimos, permitindo assim o efeito volumétrico minimizando perdas térmicas por radiação, que será redirecionada novamente para o ar (ver Figura 3.5). O efeito volumétrico é principalmente descrito pela temperatura de pico da superfície ocorrer nas profundezas da estrutura porosa, no qual a configuração

o contrário quando são utilizados recetores tubulares com o HTF circulando no seu interior. Dos projetos mais notáveis destacam-se o Phoebus-TSA, SOLAIR e DIAPR.

Figura 3.5 - Temperaturas de entrada e saída do HTF num recetor do tipo tubular (à esquerda), ou volumétrico (à direita) em que neste último a temperatura à saída do recetor é superior ao material absorsor à entrada [108].

Figura 3.6 - Exemplos de tipos de absorsores cerâmicos (como carbonetos de silício), à esquerda em cima denominado “honeycomb” usado na central Julich, em baixo espumas (“foams”) com diferentes porosidades, ao centro o absorsor “porcupine” utilizado no recetor pressurizado DIAPR (à direita) feito de tubos de cerâmica à base de alumina [105] [109].