Energia solar com espelhos de Fresnel

O espelho de Fresnel e a exploração da energia solar.

23 de agosto de 2005

Não sou o único a ter pensado nisso, como demonstra este artigo: http://www.klimaschutz.com/synth/sfc021001.htm

Uma leitora, Laure Emmanuelle Muller, traduziu-o para nós. Agradecemos-lhe.

Faço um resumo antes da leitura.

Os belgas optaram por uma fórmula em que se utiliza um tubo coletor de calor fixo, onde o vapor é criado diretamente e sobre o qual a radiação solar é concentrada por meio de uma série de espelhos instalados no solo, em forma de longas faixas, cuja orientação é ajustada mecanicamente.

eficiência solarmondo

Sistema "Solarmondo". Espelhos planos (1000 m de comprimento) rotativos. Tubo coletor fixo. Abaixo, cultivos.

Como se observa neste esquema, faixas refletoras, espelhos de 1000 m de comprimento, são fixados sobre um chassi. Sob esse chassi, é possível, em regiões de muito alta insolação, desenvolver cultivos; parte da energia coletada poderia servir para dessalinizar água do mar. Um sistema como esse poderia ser instalado na região de Dubai, nos Emirados Árabes Unidos, onde a costa é, afinal, de pouco interesse e está próxima de um imenso deserto, muito plano e também desprovido de interesse. Essas instalações, que dariam origem a bio-desertos, não seriam incompatíveis com os sonhos de turismo de luxo atualmente desenvolvidos pelos emires. Mas, é claro, é... outra coisa.

Uma variante consistiria em ter um coletor móvel, sustentado por braços rotativos nos quais seriam fixadas engrenagens sem-fim. O espelho seria então fixo. Segundo meu ponto de vista, ele resistiria mais facilmente a ventos fortes (o tubo coletor seria recolhido e guardado em um compartimento). Também seria mais fácil de limpar, com o auxílio de um limpador de para-brisa móvel. Esse tipo de espelho também se prestaria melhor a uma padronização planetária, sendo fornecido por elementos.

solar Fresnel JPP

Coletor solar com espelho fixo e tubo focal captador móvel.

As duas fórmulas deveriam ser testadas. Os belgas já testaram seu sistema com sucesso. Nada nesse sentido na França, salvo engano.

http://www.solarmundo-power.com

O Coletor Leve de Fresnel da Solarmundo (SFC)

pode tornar a energia solar mais barata que o petróleo

Uma avaliação do potencial do novo coletor da Solarmundo para a proteção do clima

Christoph Bals (Germanwatch, bals@germanwatch.org), e

Dr. rer. nat. Gerhard Knies (Fundo Climático de Hamburgo, knies.gerhard@t-online.de)

Uma visão artística de uma unidade Solarmondo, implantada em um deserto

Após uma inspeção cuidadosa do novo coletor leve de Fresnel da Solarmundo (SFC), os dois autores chegam à seguinte avaliação: Com esse desenvolvimento recente, nos países bem ensolarados, a energia solar poderia se tornar mais barata que o petróleo em poucos anos, sem necessidade de outra ruptura tecnológica. Se o SFC funcionar como previsto, fornecerá um enorme potencial para a proteção global do clima e para uma eletricidade limpa e inesgotável em todo o mundo. - Bonn e Hamburgo, outubro de 2001.

Desempenho das usinas de SFC
Eletricidade limpa, mais barata que a do petróleo:

Em locais com boa radiação solar, o coletor da Solarmundo (

) pode produzir vapor mais barato que o petróleo, para preços do barril superiores a 20 dólares americanos. Isso significa que uma usina solar pode produzir eletricidade com custos inferiores aos de uma usina térmica a petróleo.

Combinado com a dessalinização da água

A potência de refrigeração, como em qualquer usina térmica, pode ser empregada para a dessalinização da água do mar ou de água salobra. Uma usina solar de 400 MW poderia cogenerar de 10 a 20 mil metros cúbicos por hora. Essa tecnologia é bem estabelecida.

Combinado com o cultivo dos locais

O espelho plano do SFC está a cerca de 4 metros acima do solo. Na sombra abaixo, a intensidade da luz e a evaporação da água são reduzidas. Há luz suficiente para, por exemplo, cultivar tomates.

Uma usina de 400 MW forneceria cerca de 3 quilômetros quadrados de sombra para os cultivos. A água para a irrigação poderia vir da dessalinização.

Os detalhes dessa aplicação, como o rendimento por colheita e hectare e a água necessária para a irrigação, devem ser avaliados por um estudo de viabilidade e estudados em um projeto piloto.

Potencial futuro com o armazenamento integrado de energia solar

Há uma perspectiva promissora para uma adaptação bastante simples destinada ao armazenamento de calor e, portanto, ao fornecimento de eletricidade sob demanda 24 horas por dia. Isso confere à eletricidade solar um grande potencial para o abastecimento energético dos países ensolarados e para a exportação para os países industrializados do norte.

A tecnologia dos SFC oferece, portanto, possibilidades interessantes de fornecer, a baixo custo, corrente elétrica limpa em países ensolarados, para suas necessidades domésticas e para a exportação, e de evitar perigos para o meio ambiente local, como a queima suja de carvão ou o corte de lenha. Dado que uma grande parte dos trabalhos de construção, manutenção e operação pode ser realizada pela mão de obra local, isso pode criar empregos industriais nos países em desenvolvimento.

Animação por computador: 4 fileiras de coletores de SFC com a linha de transferência de vapor para a usina.

Potencial dos SFC para a proteção global do clima

A tecnologia dos SFC expandiria consideravelmente nossas capacidades para a produção de eletricidade solar. Assim que essa tecnologia for verificada por um software de operação completo - provavelmente em um prazo de 1 ou 2 anos - ela poderia contribuir para fornecer eletricidade limpa para as enormes necessidades futuras previstas nos países ensolarados em desenvolvimento, incluindo a Índia e a China. Aqui, são necessárias novas capacidades de centenas de gigawatts.

Combinado com um custo relativamente baixo do transporte de energia a longa distância por linhas de alta tensão de corrente contínua (HVDC), cerca de 95% da população mundial reside ao alcance de áreas desérticas adequadas à produção de eletricidade térmica solar a preço reduzido e com espaço suficiente para campos de coletores. Por exemplo, para a produção de 500 TWh/ano de energia elétrica, correspondentes a 20% do consumo anual de eletricidade da UE, é necessário um campo de coletores de aproximadamente 45

45 km, e um ensolaramento saariano. O Marrocos oferece as duas condições: bom ensolaramento e fácil conexão à rede europeia.

Como o armazenamento de calor permitiria uma produção de eletricidade sob demanda, dia e noite, com essa aplicação futura, a tecnologia dos SFC poderia contribuir significativamente para a transição rápida globalmente exigida para uma eletricidade limpa.

Já com o modo de construção atual, essa eletricidade solar poderia ser competitiva com as usinas a petróleo. Outras melhorias conceituais e outras reduções de custos devem ser esperadas com a expansão das capacidades de produção.

Devido ao potencial excepcional da tecnologia dos SFC para a proteção global do clima, há um interesse público significativo em acelerar o desenvolvimento dessa tecnologia o máximo possível. Portanto, recomendamos um apoio adequado para uma verificação rápida do potencial dessa tecnologia. Em caso de sucesso dos testes, a porta estaria aberta para um lançamento mundial no mercado.

O pleno poder para a proteção global do clima pode vir de uma cooperação norte-sul ilimitada.

O SFC - dispositivos técnicos

A luz do sol pode ser concentrada por um espelho parabólico para produzir vapor para uma usina. O físico francês A. J. Fresnel (1788 - 1827) inventou um sistema simples para substituir os espelhos curvos por um conjunto plano de faixas de espelho.

Com esse sistema, a Solarmundo NV (Bélgica) converteu a volumosa cubeta do espelho parabólico em uma simples superfície plana constituída de faixas de espelhos alongados. Uma fileira de 48 dessas faixas, cada uma com 50 centímetros de largura e até cerca de 1000 metros de comprimento, reflete a luz do sol sobre um tubo coletor de 1000 metros de comprimento montado a 15 metros acima da fileira. As faixas de espelhos podem ser inclinadas em torno de seus eixos longitudinais para acompanhar o sol. Em dias claros, a luz solar concentrada poderia aquecer o tubo coletor a mais de 500 graus Celsius. Isso é suficiente para produzir vapor para uma turbina convencional acoplada a um gerador de potência de 4,8 megawatts. Um grande número desses elementos coletores pode ser combinado para expandir as capacidades - até várias centenas de megawatts.

Aqui recapitulamos as melhorias que a concepção dos SFC oferece em relação aos coletores parabólicos lineares de cubeta de primeira geração, que funcionam com muita segurança há 10 anos no deserto de Mojave, na Califórnia.

Diferença na concepção:

Um grande espelho parabólico, de largura típica de 6 metros, apoiado sobre uma complicada estrutura de sustentação móvel para acompanhar o sol, é substituído por uma fileira fixa e horizontal de faixas de pequenos espelhos planos pivotantes e um pequeno concentrador secundário atrás do tubo coletor.
O foco da parábola móvel - que segue o movimento do sol - é substituído por uma linha focal fixa, sobre a qual cada elemento de espelho e o concentrador secundário refletem a luz do sol. O tubo coletor está agora em posição fixa.
A estrutura de sustentação para os eixos dos espelhos e para o tubo coletor é fixa.

Graças a um novo revestimento de superfície do tubo coletor, o caro isolamento a vácuo do longo tubo poderia ser substituído por uma simples proteção contra perda de calor e radiação em atmosfera normal.

O vapor é produzido diretamente no tubo coletor, em vez de após a transferência térmica para uma caldeira a vapor por meio de um líquido especial e de trocadores de calor.

Diferença de eficiência na coleta de luz e desempenho durante o dia

As eficiências comparadas de sistemas baseados em espelhos parabólicos e em coletores de Fresnel

(à latitude do Cairo). Observa-se que são bastante próximas.

A cobertura do campo de coletores pelos elementos de espelho é diferente nos dois dispositivos.

No dispositivo da Solarmundo, o campo coletor está quase totalmente coberto de espelhos. Isso leva a um certo sombreamento mútuo nas horas extremas do dia, muito cedo e muito tarde. Nos dispositivos parabólicos, as fileiras de parábolas alinhadas norte-sul são separadas por 2 fileiras vazias, para evitar o sombreamento pela manhã e à tarde, fornecendo, portanto, um rendimento menor, em apenas 1/3 do campo de coletores, mas mais constante durante o dia.

Do ponto de vista da superfície de espelho utilizada, a coleta de radiação é melhor para os coletores de Fresnel da Solarmundo, e do ponto de vista do setor de espelho, a coleta de radiação é melhor com os espelhos parabólicos.

As reduções de custos são principalmente realizadas por:
Muitos pequenos espelhos planos fáceis de construir em vez de um grande espelho especialmente desenhado (parabólico).
Apenas os pequenos espelhos são girados para acompanhar o sol. Seus eixos de sustentação, armações e o tubo coletor permanecem fixos.
A totalidade da estrutura de sustentação pode facilmente ser feita de peças padrão.
A posição horizontal permanente da fileira de espelhos reduz sensivelmente a força do vento.
O isolamento a vácuo ao redor do tubo coletor pôde ser evitado.
Produção direta de vapor no tubo coletor.
A mão de obra local a preço reduzido pode ser amplamente utilizada para montar os componentes.
Operação e manutenção simplificadas do campo de coletores.
Estágio de desenvolvimento

Até o momento, as faixas de espelhos de Fresnel, o concentrador secundário e o tubo coletor foram realizados, testados em laboratório e montados em uma instalação piloto, na Bélgica, com uma largura de 24 metros, mas com um comprimento de apenas 100 metros em vez dos 1000 metros previstos para o módulo padrão considerado de 4,8 MW.

As funções mecânicas do coletor foram verificadas nessa instalação piloto. Além disso, o vapor foi produzido a uma temperatura de 270 graus Celsius, em acordo com as expectativas para a instalação piloto, com uma temperatura máxima limitada por um revestimento seletivo preliminar no tubo coletor. Um novo revestimento seletivo, especial para altas temperaturas, foi assim examinado com sucesso no laboratório, a 500 graus Celsius. A produção dos tubos com esse revestimento foi iniciada. A estabilidade a longo prazo das propriedades de alta absorção e baixo radiação desse revestimento, e o controle do processo de produção de vapor, devem ser verificados nas temperaturas de operação previstas de 400 graus Celsius com um coletor de tamanho real e pleno ensolaramento.

Os dispositivos adicionais de armazenamento de calor e de cultivo agrícola existem até agora apenas "no papel".

Próximos passos
O próximo passo é demonstrar o funcionamento do coletor em condições solares realistas e durante um período razoável, por exemplo, alguns meses. Para esse efeito, uma usina de demonstração, composta por pelo menos uma fileira completa de coletor para cerca de 5 MW, deveria ser construída e operada para a produção solar de vapor.

Isso requer um investimento de 8 a 10 milhões de euros e a identificação de um local com forte ensolaramento e baixo custo de mão de obra. O governo do Marrocos ofereceu fornecer um local adequado. Na Europa meridional, com menor ensolaramento e custo de mão de obra mais elevado, seria cerca de 50% mais caro.

Seria desejável que os trabalhos de construção começassem no início de 2002 (! ...).

Paralelamente aos trabalhos de construção, deveria haver estudos de viabilidade sobre potenciais técnicos e estudos de mercado da opção agrícola para os campos de coletores da Solarmundo, bem como um demonstrador.
A viabilidade técnica do armazenamento de energia dia-noite deveria ser estudada, assim como a importância da produção de eletricidade sob demanda, para o abastecimento doméstico e para a exportação em larga escala de eletricidade.
Com base na experiência da construção e operação da usina de demonstração, o planejamento e a construção de usinas comerciais na faixa de 50 a várias centenas de MW deveriam ser iniciados.