Usinas de energia solar térmica em torre, sistemas de concentração de energia solar

O sol é uma fonte de energia extremamente "limpa". Hoje, em todo o mundo, o trabalho sobre o uso do Sol está se desenvolvendo em várias direções. Em primeiro lugar, está se desenvolvendo a chamada pequena indústria de energia, que inclui principalmente o aquecimento de edifícios e o fornecimento de calor. Mas passos sérios já foram dados no campo da energia em larga escala - as usinas de energia solar estão sendo criadas com base na fotoconversão e na conversão térmica. Neste artigo, falaremos sobre as perspectivas das estações da segunda direção.

A tecnologia Concentrated Solar Power, conhecida mundialmente como CSP (Concentrated Solar Power), é um tipo de usina de energia solar que utiliza espelhos ou lentes para concentrar grandes quantidades de luz solar em uma pequena área.

CSP não deve ser confundido com energia fotovoltaica concentrada - também conhecida como CPV (fotovoltaica concentrada). No CSP, a luz solar concentrada é convertida em calor, e o calor é então convertido em eletricidade.Por outro lado, no CPV, a luz solar concentrada é convertida diretamente em eletricidade via efeito fotoelétrico.

Uso industrial de concentradores solares

Energia solar

O sol envia um poderoso fluxo de energia radiante na direção da terra. Mesmo se levarmos em conta que 2/3 dela é refletida e espalhada pela atmosfera, ainda assim a superfície terrestre recebe 1018 kWh de energia em 12 meses, o que é 20.000 vezes mais do que o mundo consome em um ano.

É natural que usar essa fonte inesgotável de energia para fins práticos sempre tenha parecido muito tentador. Porém, o tempo passou, o homem em busca de energia criou uma máquina térmica, bloqueou rios, partiu um átomo e o Sol continuou esperando nas asas.

Por que é tão difícil controlar sua energia? Primeiro, a intensidade da radiação solar muda durante o dia, o que é extremamente inconveniente para o consumo. Isso significa que a estação solar deve ter uma instalação de bateria ou trabalhar em conjunto com outras fontes. Mas esta ainda não é a maior desvantagem. Muito pior, a densidade da radiação solar na superfície da Terra é muito baixa.

Assim, nas regiões do sul da Rússia, é apenas 900 — 1000 W / m2... Isso é suficiente apenas para aquecer a água nos coletores mais simples a temperaturas não superiores a 80 — 90 ° C.

É adequado para abastecimento de água quente e parcialmente para aquecimento, mas em nenhum caso para geração de eletricidade. Temperaturas muito mais altas são necessárias aqui. Para aumentar a densidade do fluxo, é necessário coletá-lo de uma grande área e transformá-lo de disperso em concentrado.

Produção de energia com sistemas de concentração solar

Métodos de concentração de energia solar são conhecidos desde os tempos antigos.Uma lenda foi preservada sobre como o grande Arquimedes, com a ajuda de espelhos côncavos de cobre polido, queimou a frota romana que a sitiava no século III aC. NS. Siracusa. E embora essa lenda não seja confirmada por documentos históricos, a própria possibilidade de aquecer no foco de um espelho parabólico qualquer substância a temperaturas de 3.500 a 4.000 ° C é um fato indiscutível.

As tentativas de usar espelhos parabólicos para gerar energia útil começaram na segunda metade do século XIX. Um trabalho particularmente intenso foi realizado nos EUA, Inglaterra e França.

Um espelho parabólico experimental para uso de energia solar térmica em Los Angeles, EUA (por volta de 1901).

Em 1866, Augustin Mouchaud usou um cilindro parabólico para gerar vapor no primeiro motor a vapor solar.

A usina de energia solar de A. Mouchaud, demonstrada na Exposição Industrial Mundial em Paris em 1882, causou uma grande impressão nos contemporâneos.

A primeira patente de coletor solar foi obtida pelo italiano Alessandro Battaglia em Gênova (Itália) em 1886. Nos anos seguintes, inventores como John Erickson e Frank Schumann desenvolveram dispositivos que funcionam concentrando a energia solar para irrigação, resfriamento e movimentação.

Motor solar, 1882

Usina solar de Frank Schumann no Cairo

Em 1912, a primeira usina solar com capacidade de 45 kW foi construída perto do Cairo com concentradores parabólico-cilíndricos com uma área total de 1200 m22 que foi utilizada no sistema de irrigação. Os tubos foram colocados no foco de cada espelho. Os raios do sol estavam concentrados em sua superfície.A água nas tubulações se transforma em vapor, que é coletado em um coletor comum e alimentado na máquina a vapor.

Em geral, deve-se notar que este foi um período em que a crença no fantástico poder de foco dos espelhos tomou conta de muitas mentes. O romance de A. Tolstoi, "O hiperboloide do engenheiro Garin", tornou-se uma espécie de prova dessas esperanças.

De fato, em várias indústrias, esses espelhos são amplamente utilizados. Com base nesse princípio, muitos países construíram fornos para fundir materiais refratários de alta pureza. Por exemplo, a França tem o maior forno do mundo com capacidade de 1 MW.

E as instalações para geração de energia elétrica? Aqui os cientistas enfrentaram uma série de dificuldades. Em primeiro lugar, o custo dos sistemas de foco com superfícies espelhadas complexas acabou sendo muito alto. Além disso, à medida que o tamanho dos espelhos aumenta, o custo aumenta exponencialmente.

Além disso, criar um espelho com uma área de 500 a 600 m2 é tecnicamente difícil e você não pode obter mais de 50 kW de potência dele. É claro que nessas condições a potência unitária do receptor solar é significativamente limitada.

E mais uma consideração importante sobre sistemas de espelhos curvos. Em princípio, sistemas bastante grandes podem ser montados a partir de módulos individuais.

Para instalações atuais deste tipo, veja aqui: Exemplos de uso de concentradores solares

Calha parabólica usada na usina de energia solar concentrada de Lockhart perto de Harper Lake, Califórnia (Mojave Solar Project)

Usinas de energia semelhantes foram construídas em muitos países. Porém, há uma séria desvantagem em seu trabalho - a dificuldade de coletar energia.Afinal, cada espelho tem seu próprio gerador de vapor no foco, e todos estão espalhados por uma grande área. Isso significa que o vapor deve ser coletado de muitos receptores solares, o que complica muito e aumenta o custo da estação.

torre solar

Mesmo nos anos anteriores à guerra, o engenheiro N. V. Linitsky apresentou a ideia de uma usina de energia solar térmica com um receptor solar central localizado em uma torre alta (usina de energia solar do tipo torre).

No final da década de 1940, cientistas do Instituto Estadual de Pesquisas Energéticas (ENIN) nomeados após V.I. G. M. Krzhizhanovsky, R. R. Aparisi, V. A. Baum e B. A. Garf desenvolveram um conceito científico para a criação de tal estação. Eles propuseram abandonar os complexos espelhos curvos caros, substituindo-os pelos helióstatos planos mais simples.

O princípio de operação das usinas solares a partir de uma torre é bastante simples. Os raios do sol são refletidos por vários helióstatos e direcionados para a superfície de um receptor central – um gerador de vapor solar colocado na torre.

De acordo com a posição do Sol no céu, a orientação dos helióstatos também muda automaticamente. Como resultado, ao longo do dia, um fluxo concentrado de luz solar, refletido por centenas de espelhos, aquece o gerador de vapor.

Diferença entre projetos de SPP usando concentradores parabólicos, SPP com concentradores de disco e SPP de uma torre

Essa solução acabou sendo tão simples quanto original. Mas o mais importante é que, em princípio, tornou-se possível criar grandes usinas solares com potência unitária de centenas de milhares de kW.

Desde então, o conceito de usina solar térmica do tipo torre ganhou reconhecimento mundial. Somente no final da década de 1970, essas estações com capacidade de 0,25 a 10 MW foram construídas nos EUA, França, Espanha, Itália e Japão.

Torre solar SES Themis nos Pirenéus Orientais em França

De acordo com este projeto soviético, em 1985 na Crimeia, perto da cidade de Shtelkino, foi construída uma usina solar experimental do tipo torre com capacidade de 5 MW (SES-5).

No SES-5, é utilizado um gerador de vapor solar circular aberto, cujas superfícies, como se costuma dizer, estão abertas a todos os ventos. Portanto, em baixas temperaturas ambientes e altas velocidades do vento, as perdas convectivas aumentam acentuadamente e a eficiência diminui significativamente.

Acredita-se que os receptores do tipo cavidade sejam muito mais eficientes. Aqui, todas as superfícies do gerador de vapor são fechadas, o que reduz consideravelmente as perdas por convecção e radiação.

Devido aos baixos parâmetros de vapor (250 °C e 4MPa), a eficiência térmica do SES-5 é de apenas 0,32.

Após 10 anos de operação, em 1995, o SES-5 na Crimeia foi fechado e, em 2005, a torre foi entregue para sucata.

Modelo SES-5 no Museu Politécnico

Usinas de energia solar em torre atualmente em operação usam novos projetos e sistemas que usam sais fundidos (40% de nitrato de potássio, 60% de nitrato de sódio) como fluidos de trabalho. Esses fluidos de trabalho têm maior capacidade calorífica do que a água do mar, que foi utilizada nas primeiras instalações experimentais.

Diagrama tecnológico de uma moderna usina de energia solar térmica

Usina de energia solar de torre moderna

Claro, as usinas de energia solar são um negócio novo e complicado e, naturalmente, têm oponentes suficientes. Muitas das dúvidas que eles expressam têm boas razões, mas dificilmente se pode concordar com os outros.

Por exemplo, costuma-se dizer que grandes áreas de terra são necessárias para construir torres de usinas de energia solar. No entanto, não podem ser excluídas as áreas onde se produz combustível para o funcionamento das centrais tradicionais.

Há outro caso mais convincente a favor das usinas de energia solar em torre. A área específica da terra inundada por reservatórios artificiais de usinas hidrelétricas é de 169 hectares / MW, muitas vezes superior aos indicadores de tais usinas solares. Além disso, durante a construção de usinas hidrelétricas, terras férteis muito valiosas são frequentemente inundadas, e SPPs de torres devem ser construídas em áreas desérticas - em terras que não são adequadas para agricultura nem para a construção de instalações industriais.

Outro motivo de crítica aos SPPs de torre é seu alto consumo de material. Há, inclusive, dúvidas se a SES conseguirá devolver a energia gasta na produção dos equipamentos e obtenção dos materiais utilizados para sua construção durante o período estimado de operação.

De fato, tais instalações são intensivas em material, mas é essencial que praticamente todos os materiais com os quais as modernas usinas de energia solar são construídas não sejam escassos.Cálculos econômicos realizados após o lançamento das primeiras usinas solares de torre modernas mostraram sua alta eficiência e períodos de retorno bastante favoráveis ​​(veja abaixo exemplos de projetos economicamente bem-sucedidos).

Outra reserva para aumentar a eficiência das usinas solares com torre é a criação de usinas híbridas, nas quais as usinas solares funcionarão em conjunto com as térmicas convencionais de combustível tradicional.Na usina combinada, nas horas de intensa radiação solar, o combustível planta reduz sua potência e "acelera" em tempo nublado e em picos de carga.

Exemplos de usinas de energia solar modernas

Em junho de 2008, a Bright Source Energy abriu um centro de desenvolvimento de energia solar no deserto de Negev, em Israel.

No site está localizado no parque industrial de Rotema, foram instalados mais de 1.600 heliostatos que seguem o sol e refletem a luz em uma torre solar de 60 metros. A energia concentrada é então utilizada para aquecer a caldeira no topo da torre a 550°C, gerando vapor que é enviado para uma turbina onde é gerada eletricidade. Capacidade da usina 5 MW.

Em 2019, a mesma empresa construiu uma nova usina no deserto de Negev —Ashalim… Toya Constituída por três troços com três tecnologias diferentes, a central combina três tipos de energia: energia solar térmica, energia fotovoltaica e gás natural (central híbrida). A capacidade instalada da torre solar é de 121 MW.

A estação inclui 50.600 heliostatos controlados por computador, o suficiente para abastecer 120.000 residências. A altura da torre é de 260 metros.Era a mais alta do mundo, mas foi recentemente superada pela torre solar de 262,44 metros do Parque Solar Mohammed bin Rashid Al Maktoum.

Uma usina elétrica no deserto de Negev, em Israel

No verão de 2009, a empresa americana eSolar construiu uma torre solar Torre Solar Serra para uma usina de 5 MW localizada em Lancaster, Califórnia, cerca de 80 km ao norte de Los Angeles. A usina cobre uma área de cerca de 8 hectares em um vale seco a oeste do deserto de Mojave a 35°N de latitude.

Torre Solar Serra

A partir de 9 de setembro de 2009, com base no exemplo das usinas existentes, estimou-se que o custo de construção de uma usina de energia solar torre (CSP) é de US$ 2,5 a US$ 4 por watt, enquanto o combustível (radiação solar) é gratuito . Assim, a construção de uma usina com capacidade de 250 MW custa de 600 a 1 bilhão de dólares americanos. Isso significa de 0,12 a 0,18 dólares / kWh.

Verificou-se também que novas usinas CSP podem ser economicamente competitivas com os combustíveis fósseis.

Nathaniel Bullard, analista da Bloomberg New Energy Finance, estimou que o custo da eletricidade gerada pela usina solar de Iwanpa, inaugurada em 2014, é menor do que a eletricidade gerada por usina fotovoltaica, e é quase o mesmo que a eletricidade de uma usina de gás natural.

A mais famosa das usinas de energia solar no momento é a usina gemasolar com capacidade de 19,9 MW, localizada a oeste da cidade de Esia na Andaluzia (Espanha). A usina foi inaugurada pelo rei Juan Carlos da Espanha em 4 de outubro de 2011.

Usina Gemsolar

Este projeto, que recebeu uma subvenção de 5 milhões de euros da Comissão Europeia, utiliza tecnologia testada pela empresa americana Solar Two:

• 2.493 helióstatos com uma área total de 298.000 m2 utilizam vidro com melhor refletividade, cujo design simplificado reduz os custos de produção em 45%.

• Um maior sistema de armazenamento de energia térmica com capacidade para 8.500 toneladas de sais fundidos (nitratos), proporcionando uma autonomia de 15 horas (aproximadamente 250 MWh) na ausência de luz solar.

• Projeto de bomba aprimorado que permite que os sais sejam bombeados diretamente dos tanques de armazenamento sem a necessidade de um reservatório.

• Sistema de geração de vapor incluindo recirculação forçada de vapor.

• Turbina a vapor com maior pressão e maior eficiência.

• Circuito simplificado de circulação de sal fundido, reduzindo pela metade o número de válvulas necessárias.

A usina (torre e heliostatos) cobre uma área total de 190 hectares.

Torre Solar SPP Gemasolar

Abengoa construiu Ei ensolarado na África do Sul — uma central elétrica com 205 metros de altura e 50 MW de capacidade. A cerimônia de abertura ocorreu em 27 de agosto de 2013.

Ei ensolarado

Sistema Gerador Elétrico Solar Ivanpah — uma usina de energia solar de 392 megawatts (MW) no deserto de Mojave, na Califórnia, 40 milhas a sudoeste de Las Vegas. A usina foi comissionada em 13 de fevereiro de 2014.

Sistema Gerador Elétrico Solar Ivanpah

A produção anual desta SPP cobre o consumo de 140.000 famílias. Instalou 173.500 espelhos helióstatos concentrando a energia solar em geradores de vapor localizados em três torres solares centrais.

Em março de 2013, foi assinado um acordo com a Bright Source Energy para a construção de uma usina Queimado na Califórnia, composto por duas torres de 230 m (250 MW cada), comissionamento previsto para 2021.

Outras usinas de torres solares operacionais: Solar Park (Dubai, 2013), Nur III (Marrocos, 2014), Crescent Dunes (Nevada, EUA, 2016), SUPCON Delingha e Shouhang Dunhuang (Kathai, ambos 2018), Gonghe, Luneng Haixi e Hami (China, todos 2019), Cerro Dominador (Chile, abril de 2021).

Uma solução inovadora para energia solar

Como essa tecnologia funciona melhor em áreas com alta insolação (radiação solar), os especialistas preveem que o maior crescimento no número de torres de usinas solares ocorrerá em lugares como África, México e sudoeste dos Estados Unidos.

Acredita-se também que a energia solar concentrada tem grandes perspectivas e pode suprir até 25% das necessidades energéticas mundiais até 2050. Atualmente, mais de 50 novos projetos desse tipo de usinas estão sendo desenvolvidos no mundo.