Concentrador de energia solar DIY. Concentradores solares

(Canadá) desenvolveu um sistema solar universal, poderoso, eficiente e um dos mais econômicos concentradores parabólicos(CSP - Energia Solar Concentrada) com diâmetro de 7 metros, tanto para residências comuns quanto para uso industrial. A empresa é especializada na produção de dispositivos mecânicos, ópticos e eletrônicos, o que a ajudou a criar um produto competitivo.

Segundo o próprio fabricante, o concentrador solar SolarBeam 7M é superior a outros tipos de dispositivos solares: coletores solares de placa plana, coletores a vácuo e concentradores solares do tipo calha.

Vista externa do concentrador solar Solarbeam

Como funciona?

A automação do concentrador solar rastreia o movimento do sol em dois planos e direciona o espelho exatamente para o sol, permitindo que o sistema colete o máximo de energia solar desde o amanhecer até o final do pôr do sol. Independentemente da estação ou local de uso, o SolarBeam mantém a precisão do apontamento do sol de até 0,1 graus.

Os raios incidentes no concentrador solar são focados em um ponto.

Cálculos e projeto do SolarBeam 7M

Teste de estresse

Para projetar o sistema, foram utilizados métodos de modelagem 3D e testes de estresse de software. Os testes são realizados utilizando técnicas FEM (Análise de Elementos Finitos) para calcular tensões e deslocamentos de peças e conjuntos sob influência de cargas internas e externas, a fim de otimizar e verificar o projeto. Este teste preciso nos permite confirmar que o SolarBeam pode operar sob cargas extremas de vento e condições climáticas. SolarBeam simulou com sucesso cargas de vento de até 160 km/h (44 m/s).

Teste de tensão na conexão entre a estrutura do refletor parabólico e o suporte

Foto do conjunto de montagem do concentrador Solarbeam

Teste de estresse de um rack concentrador solar

Nível de produção

Muitas vezes, o alto custo de fabricação de concentradores parabólicos impede seu uso em massa na construção individual. O uso de carimbos e grandes segmentos de material refletivo reduziu os custos de produção. A Solartron utilizou muitas inovações utilizadas na indústria automotiva para reduzir custos e aumentar a produção.

Confiabilidade

SolarBeam foi testado em condiçoes difíceis norte, proporciona alto desempenho e durabilidade. SolarBeam foi projetado para todas as condições climáticas, incluindo temperaturas ambientes altas e baixas, carga de neve, glacê e ventos fortes. O sistema foi projetado para 20 anos ou mais de operação com manutenção mínima.

O espelho parabólico SolarBeam 7M é capaz de suportar até 475 kg de gelo. Isso é aproximadamente igual a 12,2 mm de espessura de gelo em toda a área de 38,5 m2.
A instalação funciona normalmente em nevascas devido ao design curvo dos setores do espelho e à capacidade de realizar automaticamente a “remoção automática de neve”.

Desempenho (comparação com coletores de vácuo e de placa plana)

Q / A = F’(τα)en Kθb(θ) Gb + F’(τα)en Kθd Gd -c6 u G* - c1 (tm-ta) - c2 (tm-ta)2 – c5 dtm/dt

A eficiência para coletores solares não concentradores foi calculada usando a seguinte fórmula:

Eficiência = F Eficiência do Coletor – (Inclinação*Delta T)/G Radiação Solar

A curva de desempenho do concentrador SolarBeam mostra alta eficiência geral em toda a faixa de temperatura. Coletores solares planos e evacuados mostram mais baixa eficiencia quando temperaturas mais altas são necessárias.

Gráficos de comparação de coletores solares Solartron e de placa plana/vácuo

Eficiência (COP) do Solartron dependendo da diferença de temperatura dT

É importante notar que o diagrama acima não leva em consideração a perda de calor pelo vento. Além disso, os dados acima indicam eficácia máxima (ao meio-dia) e não refletem eficácia durante o dia. Os dados são baseados em um dos melhores coletores de placa plana e vácuo. Além da alta eficiência, o SolarBeamTM produz 30% mais energia adicional devido ao rastreamento solar de eixo duplo. Em regiões geográficas onde prevalecem baixas temperaturas, a eficiência dos coletores de placa plana e evacuados é significativamente reduzida devido à grande área de absorção. SolarBeamTM possui uma área de absorção de apenas 0,0625 m2 em relação à área de coleta de energia de 15,8 m2, conseguindo assim baixa perda de calor.

Observe também que, devido ao sistema de rastreamento de eixo duplo, o concentrador SolarBeamTM sempre operará com eficiência máxima. A área efetiva do coletor SolarBeam é sempre igual à área real da superfície do espelho. Coletores de placa plana (estacionários) perdem energia potencial de acordo com a equação abaixo:
PL = 1 – COS i
onde perda de energia PL em%, do máximo no deslocamento em graus)

Sistema de controle

Os controles SolarBeam usam tecnologia EZ-SunLock. Com esta tecnologia, o sistema pode ser rapidamente instalado e configurado em qualquer lugar do mundo. O sistema de rastreamento rastreia o sol com precisão de 0,1 grau e usa um algoritmo astronômico. O sistema tem a capacidade de despacho geral através de redes remotas.

Situações de emergência em que a “placa” ficará automaticamente estacionada em posição segura.

• Se a pressão do líquido refrigerante no circuito cair abaixo de 7 PSI
• Quando a velocidade do vento é superior a 75 km/h
• Em caso de queda de energia, o UPS (fonte de alimentação ininterrupta) move a placa para uma posição segura. Quando a energia é restaurada, o rastreamento solar automático continua.

Monitoramento

Em qualquer caso, e especialmente para aplicações industriais, é muito importante conhecer o estado do seu sistema para garantir a confiabilidade. Você deve ser avisado antes que ocorra um problema.

SolarBeam tem a capacidade de monitorar através do SolarBeam Remote Dashboard. Este painel é fácil de usar e fornece informação importante Status do SolarBeam, diagnósticos e informações de produção de energia.

Configuração e gerenciamento remotos

SolarBeam pode ser configurado remotamente e alterar rapidamente as configurações. A “placa” pode ser controlada remotamente através de um navegador móvel ou PC, simplificando ou tornando desnecessários os sistemas de controle no local.

Alertas

Em caso de alarme ou necessidade de manutenção, o aparelho envia uma mensagem via e-mail pessoal de serviço designado. Todos os avisos podem ser personalizados de acordo com as preferências do usuário.

Diagnóstico

SolarBeam possui recursos de diagnóstico remoto: temperatura e pressão do sistema, produção de energia, etc. De relance você pode ver o status operacional do sistema.

Relatórios e gráficos

Caso sejam necessários relatórios de produção de energia, eles podem ser facilmente obtidos para cada placa. O relatório pode ser na forma de gráfico ou tabela.

Instalação

O SolarBeam 7M foi originalmente projetado para instalações CSP de grande escala, portanto a instalação foi feita da forma mais simples possível. O design permite a montagem rápida dos componentes principais e não requer alinhamento óptico, tornando a instalação e o comissionamento do sistema baratos.

Tempo de instalação

Uma equipe de 3 pessoas pode instalar um SolarBeam 7M do início ao fim em 8 horas.

Requisitos de acomodação

A largura do SolarBeam 7M é de 7 metros com um recuo de 3,5 metros. Ao instalar vários SolarBeam 7M, cada sistema deve receber uma área de aproximadamente 10 x 20 metros para garantir a máxima captação solar com a menor quantidade sombreamento.

Conjunto

O Cubo Parabólico foi projetado para ser montado no solo por meio de sistema de elevação mecânica, permitindo a instalação rápida e fácil de treliças, setores de espelhos e suportes.

Áreas de uso

Geração de eletricidade através de instalações ORC (Ciclo Rankine Orgânico).

Usinas de dessalinização industrial

A energia térmica para uma usina de dessalinização de água pode ser fornecida pela SolarBeam

Em qualquer indústria onde seja necessária muita energia térmica para o ciclo do processo, como:

• Alimentos (cozimento, esterilização, produção de álcool, lavagem)
• Indústria química
• Plástico (Aquecimento, exaustão, separação, ...)
• Têxtil (branqueamento, lavagem, prensagem, tratamento a vapor)
• Petróleo (sublimação, clarificação de produtos petrolíferos)
• E muito mais

Local de instalação

Os locais adequados para instalação são regiões que recebem pelo menos 2.000 kWh luz solar por m2 por ano (kW*h/m2/ano). Considero as seguintes regiões do mundo os produtores mais promissores:

• Regiões da antiga União Soviética
• Sudoeste dos EUA
• América Central e do Sul
• África do Norte e do Sul
• Austrália
• Países mediterrâneos da Europa
• Médio Oriente
• Planícies desérticas da Índia e do Paquistão
• Regiões da China

Especificação do modelo Solarbeam-7M

• Potência de pico - 31,5 kW (com uma potência de 1000 W/m2)
• O grau de concentração de energia é mais de 1200 vezes (ponto 18cm)
• Temperatura máxima no foco - 800°C
• Temperatura máxima do líquido refrigerante - 270°C
• Eficiência operacional - 82%
• Diâmetro do refletor - 7m
• A área do espelho parabólico é de 38,5 m2
• Distância focal - 3,8m
• Consumo de energia elétrica por servomotores - 48W+48W / 24V
• Velocidade do vento durante a operação - até 75 km/h (20 m/s)
• Velocidade do vento (em modo de segurança) - até 160 km/h
• Rastreamento solar azimutal - 360°
• Rastreamento solar vertical - 0 - 115°
• Altura do suporte - 3,5m
• Peso do refletor - 476 kg
• Peso total -1083 kg
• Tamanho do absorvedor - 25,4 x 25,4 cm
• Área absorvente -645 cm2
• Volume de refrigerante no absorvedor - 0,55 litros

Dimensões gerais do refletor

Brevemente:
1) A capacidade das estações CSP (Energia Solar Concentrada) em todo o mundo aumentou 1 GW em 2012. Todos os anos este mercado cresce >100% (não é um erro de digitação!).
2) Capacidades instaladas: 2,8 GW, 2,9 estão em construção, 7 GW estão planejados.
3) A tecnologia mais popular são os refletores parabólicos, mas os concentradores de torre e os concentradores de lentes Fresnel estão ganhando popularidade.

Agora mais detalhes. O mercado está crescendo assim:


(em marrom claro e marrom: capacidade instalada e anual instalada (GW) da CSP. Fonte: Photon International 12/2012)

Como as tecnologias CSP se desenvolverão? Vejamos esta foto:


(explicação da “legenda” da esquerda para a direita: geral, refletores parabólicos, torres, antenas parabólicas, refletores lineares de Fresnel. O primeiro diagrama é para o final de 2012, o segundo: em construção, o último: planejado)

Obviamente, os refletores parabólicos são “hoje”, mas as torres concentradoras serão populares “amanhã”. O maior projeto em construção nesta área atualmente é a Estação Geradora Solar Elétrica Ivanpah de 392 MW, no sul da Califórnia. 170.000 espelhos focarão a luz nas torres.

O CLFR está gradativamente reconquistando o mercado: há um aumento de 1 para 7%. O maior projeto nesta área é de 100 MW no Rajastão da Avera Solar.

O que são refletores parabólicos?

Este é um sistema onde espelhos parabólicos, girando ao longo de seu eixo, focam raios solares no tubo absorvente de calor. Este sistema permite concentrar 100 vezes e aquecer o refrigerante (óleo especial) até 400 graus. Através de um trocador de calor, o óleo quente libera energia para o vapor, que, por sua vez, faz girar a turbina. Os sistemas mais recentes nesta área podem incluir uma bateria na forma de um tanque de sal fundido (até 8 horas). O sistema já é bastante conhecido (desde a década de 80).

Desvantagens e vantagens:

1. tecnologia comprovada.


2. Mas, custos elevados em relação a outras fontes “verdes” (por exemplo, PV).


3. Mas, baixa temperatura do líquido refrigerante.


4. Mas, em alguns casos, tais sistemas requerem o fornecimento de água, o que não é fácil em condições desérticas.


5. Porém, o local de instalação não deve ter inclinação superior a 1%.

Desvantagens e vantagens:

1. Permite atingir temperaturas mais elevadas, maior eficiência, menor custo energético que os refletores parabólicos.


2. Não necessita de paisagens ultra planas (pode ser instalado com gradiente de 5%).


3. A reserva de energia no tanque com sal fundido é de até 15 horas.


4. Porém, o histórico de utilização de tais sistemas é mais curto e, portanto, o risco de empréstimo é maior.


5. Mas, o preço ainda é alto.

O que são sistemas concentradores com refletores Fresnel lineares?
É mais sistemas simples em comparação com canais parabólicos. Eles concentram a luz 30 vezes e usam água em vez de óleo para transferência de calor.

Desvantagens e vantagens:
Design simples, baixo custo de energia.
Mas, alto risco tecnológico: a tecnologia ainda não foi testada como os refletores parabólicos.

Hoje, os concentradores lutam pela sua existência: os painéis solares, que estão cada vez mais baratos e já se tornaram comuns, pressionam este mercado.

• 1 watt instalado em concentradores custa hoje cerca de US$ 5 (concentradores parabólicos),


• 1 watt instalado para torres de concentração custa cerca de US$ 7 (o preço permanece o mesmo se a energia for armazenada em areia derretida por 6 a 7 horas, US$ 10 se o fornecimento for por 12 a 15 horas).


• 1 watt instalado para painéis regulares custa cerca de US$ 1.

No entanto, não devemos esquecer que se trata de uma indústria muito mais jovem que segue o caminho da energia fotovoltaica tradicional feita há 10 anos. Há potencial para reduções de preços nesta área e estou confiante de que haverá “lugar ao sol” suficiente para todas as tecnologias.

Mas também me lembro do otimismo com que a Siemens assumiu os concentradores (a Siemens anunciou recentemente a cessação dos trabalhos nesta área) e lembro-me do entusiasmo no campo da energia fotovoltaica de silício de película fina. Em ambos os casos, a janela de oportunidade fechou-se com estrondo para muitos bolsos.

Vamos falar sobre as deficiências. Os espelhos precisam ser limpos. Além disso, sua superfície deve ser ideal e assim permanecer. o tempo todo operação da estação.


(limpeza

Publicado em 09/08/2013

Todo mundo está interessado em energia alternativa grande quantidade grandes mentes. Eu não sou uma exceção. 🙂

Tudo começou com uma pergunta simples: “Um motor sem escova pode ser transformado em gerador?”
-Pode. Pelo que?
-Faça um gerador eólico.

Um moinho de vento para gerar eletricidade não é uma solução muito conveniente. Força do vento variável dispositivo de carregamento, baterias, inversores, muitos equipamentos baratos. Num esquema simplificado, um moinho de vento lida “excelentemente” com o aquecimento de água. Porque a carga é dez e não exige nada dos parâmetros da eletricidade que lhe é fornecida. Você pode se livrar de eletrônicos complexos e caros. Mas os cálculos mostraram custos de projeto significativos para acionar um gerador de 500 watts.
A potência transportada pelo vento é calculada pela fórmula P=0,6*S*V 3, onde:
P– potência, Watt
S- Área, m2
V– velocidade do vento, m/s

Um vento que sopra 1 m2 a uma velocidade de 2 m/s “carrega” 4,8 watts de energia. Se a velocidade do vento aumentar para 10 m/s, a potência aumentará para 600 Watts. Os melhores geradores eólicos têm uma eficiência de 40-45%. Levando isso em consideração, para um gerador de 500 Watts com vento de, digamos, 5 m/s. A área varrida pela hélice do gerador eólico deverá ser de cerca de 12 m². O que corresponde a um parafuso com quase 4 metros de diâmetro! Muito dinheiro é de pouca utilidade. Adicione aqui a necessidade de obtenção de licença (limite de ruído). Aliás, em alguns países a instalação de uma turbina eólica deve ser coordenada até com ornitólogos.

Mas então me lembrei do Sol! Isso nos dá muita energia. Pensei nisso pela primeira vez depois de sobrevoar um reservatório congelado. Quando vi uma massa de gelo com mais de um metro de espessura e medindo 15 por 50 quilômetros, pensei: “Isso é muito gelo!” Quanto tempo precisa ser aquecido para derreter!?” E o Sol fará tudo isso em quinze dias. Nos livros de referência você pode encontrar a densidade de energia que atinge a superfície da Terra. Um número de cerca de 1 quilowatt por metro quadrado parece tentador. Mas isso ocorre no equador em um dia claro. Quão viável é utilizar energia solar para necessidades econômicas nas nossas latitudes (parte central da Ucrânia), utilizando materiais disponíveis?

Que poder real, levando em conta todas as perdas, pode ser obtido dele? metro quadrado?

Para esclarecer esta questão, fiz o primeiro concentrador de calor parabólico de papelão (foco na tigela da parábola). Cobri o padrão de setores com papel alumínio normal. É claro que a qualidade da superfície e até mesmo a capacidade reflexiva da folha estão muito longe do ideal.

Mas a tarefa era justamente aquecer um determinado volume de água através de métodos de “fazenda coletiva” para saber que potência poderia ser obtida levando em conta todas as perdas. O padrão pode ser calculado usando um arquivo Excel que encontrei na Internet de quem gosta de construir antenas parabólicas por conta própria.
Conhecendo o volume da água, sua capacidade calorífica, temperaturas inicial e final, é possível calcular a quantidade de calor gasta para aquecê-la. E, sabendo o tempo de aquecimento, você pode calcular a potência. Conhecendo as dimensões do concentrador, você pode determinar qual potência prática pode ser obtida de um metro quadrado de superfície sobre a qual a luz solar incide.

Como volume de água, pegamos meia lata de alumínio, pintada de preto por fora.

Um recipiente com água é colocado no foco de um concentrador solar parabólico. O concentrador solar está orientado para o Sol.

Experimento nº 1

foi realizada por volta das 7h do final de maio. A manhã está longe de ser o horário ideal, mas logo pela manhã o Sol brilha pela janela do meu “laboratório”.

Com um diâmetro de parábola 0,31m cálculos mostraram que uma potência da ordem de grandeza foi obtida 13,3 watts. Aqueles. ao menos 177 Watts/m². Deve-se notar aqui que a rodada jarra aberta longe de ser o melhor A melhor opção para obter um bom resultado. Parte da energia vai para aquecer a própria lata, parte é irradiada para ambiente, inclusive sendo levado pelas correntes de ar. Em geral, mesmo em condições tão longe do ideal, você pode pelo menos conseguir alguma coisa.

Experimento nº 2

Para o segundo experimento, uma parábola com diâmetro de 0,6m. Fita metálica comprada em loja de ferragens. Suas qualidades reflexivas são ligeiramente melhores do que as da folha de alumínio para alimentos.

A parábola tinha uma distância focal maior (foco fora da tigela da parábola).

Isso possibilitou projetar os raios em uma superfície do aquecedor e obter uma temperatura mais alta no foco. Uma parábola queima facilmente uma folha de papel em poucos segundos. O experimento ocorreu por volta das 7h do início de junho. Com base nos resultados do experimento com o mesmo volume de água e o mesmo recipiente, recebi o poder 28 watts., o que corresponde aproximadamente 102 Watts/m2. Isso é menos do que no primeiro experimento. Isso é explicado pelo fato de que os raios solares da parábola não caíram de maneira ideal na superfície redonda da jarra em todos os lugares. Alguns dos raios passaram, alguns caíram tangencialmente. A jarra foi resfriada pela brisa fresca da manhã de um lado enquanto era aquecida do outro. No primeiro experimento, pelo fato do foco estar dentro da tigela, a jarra foi aquecida por todos os lados.

Experimento nº 3

Tendo percebido que um resultado decente pode ser obtido fazendo o dissipador de calor certo, foi feito o seguinte projeto: uma lata pintada de preto tem dentro de tubos para abastecimento e escoamento de água. Hermeticamente selado com vidro duplo transparente. Isolado termicamente.

O esquema geral é:

O aquecimento ocorre da seguinte forma: raios do concentrador solar ( 1 ) penetrar através do vidro na lata do dissipador de calor ( 2 ), onde, caindo sobre uma superfície preta, é aquecido. A água, em contato com a superfície da jarra, absorve calor. O vidro não transmite bem a radiação infravermelha (térmica), portanto as perdas por radiação térmica são minimizadas. Porque o vidro aquece com o tempo água morna, e começa a irradiar calor, foram aplicados vidros duplos. Opção perfeita, se houver vácuo entre os vidros, mas esta é uma tarefa difícil de conseguir em casa. O verso da lata é isolado termicamente com espuma de poliestireno, o que também limita a radiação de energia térmica para o meio ambiente.

Dissipador de calor ( 2 ) usando tubos ( 4,5 ) está conectado ao tanque ( 3 ) (No meu caso garrafa de plástico). O fundo do tanque está 0,3 m acima do aquecedor. Este design garante a convecção (autocirculação) da água no sistema.

Idealmente tanque de expansão e os tubos também devem ser isolados termicamente. O experimento ocorreu por volta das 7h de meados de junho. Os resultados do experimento são os seguintes: Potência 96,8 watts, o que corresponde aproximadamente 342 Watts/m².

Aqueles. A eficiência do sistema melhorou mais de 3 vezes apenas com a otimização do design do dissipador de calor!

Na realização dos experimentos 1,2,3, o direcionamento da parábola para o sol foi feito manualmente, “a olho”. A parábola e os elementos de aquecimento foram segurados manualmente. Aqueles. o aquecedor nem sempre esteve no foco da parábola, pois as mãos da pessoa cansam e passam a procurar uma posição mais confortável, o que nem sempre é correto do ponto de vista técnico.

Como você deve ter notado, esforços foram feitos de minha parte para fornecer condições repugnantes para o experimento. Longe disso condições ideais, a saber:
– não é uma superfície ideal dos concentradores
– propriedades reflexivas não ideais das superfícies do concentrador
– orientação não ideal em relação ao sol
– posição não ideal do aquecedor
– não é o horário ideal para o experimento (manhã)

não poderia nos impedir de obter um resultado completamente aceitável para instalação a partir de materiais de sucata.

Experimento nº 4

Avançar um elemento de aquecimento ficou imóvel em relação ao concentrador solar. Isto permitiu aumentar a potência 118 Watts, o que corresponde aproximadamente 419 Watts/m2. E isso está em horas da manhã! Das 7h às 8h!

Existem outros métodos de aquecimento de água utilizando coletores solares. Coletores com tubos de vácuo são caros e os planos apresentam grandes perdas de temperatura na estação fria. A utilização de concentradores solares pode resolver estes problemas, mas requer a implementação de um mecanismo de orientação ao Sol. Cada método tem vantagens e desvantagens.

A energia solar pode ser coletada e usada jeitos diferentes. Um dos mais simples e eficazes é um refletor e concentrador de espelho. Não é difícil fazer você mesmo.

O refletor reflete os raios solares e os concentra em um recipiente com água. Aquece e ferve, produzindo um jato de vapor. O design do aparelho é bastante simples, o principal é que os espelhos girem automaticamente para ângulo desejado e observei o Sol.

O vapor resultante é enviado, por exemplo, para um forno para cozinhar, através de canos para aquecer uma casa, para uma turbina para gerar eletricidade, para um motor, para uma geladeira, etc. Na verdade, se você observar qualquer processo de fabricação, quase qualquer parte dele pode ser convertida em vapor.

Gerador de vapor Solar-OSE caseiro em espelhos lineares controlado por placa Arduino na conferência de fabricantes franceses POC21, dedicada a projetos ambientais caseiros.

Recentemente, os autores disponibilizaram publicamente instruções para a montagem do dispositivo sob uma licença Creative Commons. Este dispositivo compacto de 1 kW é perfeito para pequenas empresas, especialmente em áreas rurais. Se você combinar vários módulos, a potência aumenta várias vezes.

Segundo os fabricantes, o custo de todas as peças do gerador de vapor será de aproximadamente US$ 2.000, mas há diferentes variantes poupança.

Tempo estimado de montagem: 150 horas. Uma semana, três pessoas.

As instruções fornecem lista completa e dimensões de todos os materiais, bem como as ferramentas necessárias ao trabalho.

De acordo com o princípio de funcionamento, os concentradores solares são muito diferentes. Além disso, as usinas solares térmicas são muito mais eficientes que as fotovoltaicas devido a uma série de características.

A tarefa de um concentrador solar é focar os raios solares em um recipiente contendo refrigerante, que pode ser, por exemplo, óleo ou água, que absorvem bem a energia solar. Os métodos de concentração variam: concentradores cilíndricos parabólicos, espelhos parabólicos ou instalações heliocêntricas do tipo torre.

Em alguns concentradores, a radiação solar é focada ao longo da linha focal, em outros - no ponto focal onde o receptor está localizado. Quando a radiação solar é refletida de uma superfície maior para uma superfície menor (superfície receptora), aquecer, o refrigerante absorve calor à medida que se move através do receptor. O sistema como um todo também contém uma parte acumuladora e um sistema de transmissão de energia.

A eficiência dos concentradores é bastante reduzida durante os períodos nublados, uma vez que apenas a radiação solar direta é focada. É por esta razão que tais sistemas alcançam o máximo alta eficiência em regiões onde o nível de insolação é especialmente elevado: em desertos, perto do equador. Para aumentar a eficiência do uso da radiação solar, os concentradores são equipados com rastreadores e sistemas de rastreamento especiais que garantem a orientação mais precisa dos concentradores na direção do sol.

Dado que o custo dos concentradores solares é elevado e os sistemas de rastreamento requerem manutenção periódica, a sua utilização é largamente limitada sistemas industriais geração da eletricidade.

Tais instalações podem ser utilizadas em sistemas híbridos em combinação, por exemplo, com combustível hidrocarboneto, então o sistema de armazenamento reduzirá o custo da eletricidade gerada. Isto será possível porque a geração ocorrerá 24 horas por dia.

Concentradores solares cilíndricos parabólicos Eles têm até 50 metros de comprimento e parecem uma parábola espelhada alongada. Tal concentrador consiste em um conjunto de espelhos côncavos, cada um dos quais coleta raios solares paralelos e os concentra em um ponto específico. Ao longo dessa parábola, um tubo com refrigerante está localizado de forma que todos os raios refletidos pelos espelhos sejam focados nele. Para reduzir a perda de calor, o tubo é circundado por um tubo de vidro esticado ao longo da linha focal do cilindro.

Esses concentradores estão dispostos em fileiras na direção norte-sul e, é claro, estão equipados com sistemas de rastreamento solar. A radiação, concentrada em uma linha, aquece o refrigerante a quase 400 graus; ele passa pelos trocadores de calor, produzindo vapor, que gira a turbina do gerador.

Para ser justo, é importante destacar que uma fotocélula também pode ser colocada no lugar do tubo. Porém, apesar de com as fotocélulas o tamanho dos concentradores poder ser menor, isso acarreta uma diminuição da eficiência e o problema de superaquecimento, cuja solução requer o desenvolvimento de um sistema de refrigeração de alta qualidade.

No deserto da Califórnia, na década de 80, foram construídas 9 usinas em concentradores cilíndricos parabólicos com capacidade total de 354 MW. Em seguida, a mesma empresa (Luz International) construiu também a estação híbrida SEGS I em Deggette, com capacidade de 13,8 MW, que incluía adicionalmente fornos a gás natural. Em geral, a partir de 1990, a empresa construiu usinas híbridas com capacidade total de 80 MW.

O desenvolvimento da geração solar em centrais eléctricas cilíndricas parabólicas está a ser realizado em Marrocos, México, Argélia e outros países em desenvolvimento com financiamento do Banco Mundial.

Os especialistas concluem que hoje as usinas de energia cilíndricas parabólicas são inferiores tanto em lucratividade quanto em eficiência às usinas de energia solar do tipo torre e placa.

- São espelhos parabólicos, semelhantes às antenas parabólicas, com os quais os raios solares são focados em um receptor localizado no foco de cada uma dessas antenas. Ao mesmo tempo, a temperatura do refrigerante com esta tecnologia de aquecimento atinge 1000 graus. O líquido refrigerante é fornecido imediatamente ao gerador ou motor, que é combinado com o receptor. Aqui, por exemplo, são utilizados motores Stirling e Brayton, o que pode aumentar significativamente o desempenho de tais sistemas, uma vez que a eficiência óptica é alta e os custos iniciais são baixos.

O recorde mundial de eficiência de uma usina solar de disco parabólico é de 29% de eficiência alcançada ao converter energia térmica em energia elétrica em uma usina de disco combinada com um motor Stirling em Rancho Mirage.

Graças ao design modular, sistemas solares os tipos de disco são muito promissores; facilitam o alcance dos níveis de potência necessários tanto para consumidores híbridos conectados às redes de serviços públicos quanto para consumidores autônomos. Um exemplo é o projeto STEP, composto por 114 espelhos parabólicos com diâmetro de 7 metros, localizado no estado da Geórgia.

O sistema produz média, baixa e alta pressão. Vapor pressão baixaé fornecido ao sistema de ar condicionado da malharia, vapor de média pressão para a própria produção de malhas e vapor de alta pressão diretamente para geração de energia elétrica.

É claro que os concentradores de antenas solares combinados com um motor Stirling são do interesse dos proprietários de grandes empresas de energia. Assim, a Science Applications International Corporation, em colaboração com um trio de empresas de energia, está a desenvolver um sistema que utiliza um motor Stirling e espelhos parabólicos que pode produzir 25 kW de eletricidade.

Nas usinas solares do tipo torre com receptor central, a radiação solar é focada no receptor, que está localizado no topo da torre. Ao redor da torre há um grande número de refletores helióstatos. Os helióstatos são equipados com um sistema biaxial de rastreamento solar, graças ao qual são sempre girados para que os raios fiquem estacionários concentrados no dissipador de calor.

Receptor absorve energia térmica, que então gira a turbina do gerador.

O líquido refrigerante, circulando no receptor, transfere vapor para o acumulador de calor. Normalmente, o vapor de água funciona a uma temperatura de 550 graus, o ar e outras substâncias gasosas com uma temperatura de até 1000 graus, líquidos orgânicos com baixo ponto de ebulição - abaixo de 100 graus, e metal líquido - até 800 graus.

Dependendo da finalidade da estação, o vapor pode girar uma turbina para gerar eletricidade, ou ser utilizado diretamente em algum tipo de produção. A temperatura no receptor varia de 538 a 1482 graus.

A usina de torre Solar One no sul da Califórnia, uma das primeiras usinas desse tipo, inicialmente produzia eletricidade por meio de um sistema de água-vapor, produzindo 10 MW. Depois passou por uma modernização, e o receptor aprimorado, agora operando com sais fundidos, e o sistema de armazenamento de calor tornaram-se muito mais eficientes.

Isto levou a que as centrais eléctricas com torres de armazenamento térmico marcassem um avanço na tecnologia de concentradores solares: a electricidade numa tal central eléctrica pode ser produzida conforme necessário, uma vez que o sistema de armazenamento térmico pode armazenar calor durante até 13 horas.

A tecnologia do sal fundido torna possível armazenar o calor solar a 550 graus, e a eletricidade pode agora ser produzida a qualquer hora do dia e em qualquer clima. A estação Solar Two Tower com capacidade de 10 MW tornou-se o protótipo de usinas industriais desse tipo. No futuro - a construção de estações industriais com capacidades de 30 a 200 MW para grandes empreendimentos industriais.

As perspectivas são colossais, mas o desenvolvimento é dificultado pela necessidade de grandes áreas e pelo custo considerável de construção de estações-torre em escala industrial. Por exemplo, para localizar uma estação-torre de 100 megawatts, são necessários 200 hectares, enquanto uma central nuclear capaz de produzir 1000 megawatts de electricidade requer apenas 50 hectares. Estações cilíndricas parabólicas (tipo modular) com baixas capacidades, por sua vez, são mais econômicas que as torres.

Assim, concentradores de torre e parabólicos são adequados para usinas com capacidade de 30 MW a 200 MW, que estão conectadas à rede. Os concentradores de disco modulares são adequados para fonte de alimentação autônoma redes que requerem apenas alguns megawatts. Tanto os sistemas de torre como os de disco são caros de fabricar, mas proporcionam uma eficiência muito elevada.

Como podemos ver, os concentradores parabólicos ocupam uma posição ideal como a tecnologia de concentradores solares mais promissora para os próximos anos.