Energia solar concentrada (CSP)

Energia solar concentrada (CSP) é uma abordagem à geração de electricidade em que os espelhos são usados para reflectir, concentrar e focar a luz solar num ponto específico. A luz concentrada é convertida em calor, que por sua vez é usado para criar vapor. O vapor é então usado para acionar uma turbina que gera energia elétrica.

A tecnologia CSP é usada para armazenar energia solar para que possa ser usada em dias nublados e nas horas após o pôr-do-sol ou antes do nascer do sol. A partir desta escrita, a tecnologia CSP ainda é uma abordagem emergente para gerar eletricidade e é mais comumente usada em projetos em escala de uso.

A energia solar concentrada e a capacidade da tecnologia CSP de armazenar energia térmica tornou a opção de energia renovável especialmente popular na região da Faixa Solar dos Estados Unidos. A região de Sun Belt abrange estados no sul e sudoeste do país, estendendo-se da Califórnia à Flórida; isto inclui: Geórgia, Carolina do Sul, Alabama, Mississippi, Louisiana, Novo México, Arizona, Nevada e Texas.

Os Estados Unidos têm operado de forma confiável plantas de CSP por mais de 15 anos. Por exemplo, a usina de energia Crescent Dunes no Deserto de Mojave - que abrange o sudeste da Califórnia e o sul de Nevada - foi desenvolvida com financiamento do Departamento de Energia dos EUA (DOE) nos anos 1990. A usina usa sal fundido como fluido de transferência de calor e meio de armazenamento, beneficiando-se assim de maior eficiência e custo-benefício.

Requisitos-chave para energia solar concentrada

Fatores transversais são essenciais para a implementação bem sucedida de um sistema de energia solar concentrada. Os principais requisitos incluem:

  • >forte>Financiamento do operador - As tecnologias e sistemas CSP são caros. Receber o financiamento adequado do projeto pode ser difícil, mas necessário.
  • > forte>> Fontes de água disponíveis - Sistemas de CSP precisam ter acesso a uma fonte de água para resfriamento e para lavar as superfícies de coleta e espelho. As plantas de CSP têm a capacidade de empregar técnicas de resfriamento úmido, seco ou híbrido para otimizar a eficiência na geração de eletricidade e conservação da água.
  • > forte>Localizações com alta radiação solar - A concentração ótima da energia solar requer que a luz seja intensa e não muito espalhada. O foco da luz solar pode ser medido pela intensidade normal direta (DNI) da energia do sol. O DNI do sol é mais forte na região da cintura solar do que em qualquer outra área dos EUA, tornando assim o potencial de produção com CSP mais forte aqui do que em qualquer outro lugar do país.
  • > forte> parcelas de terra com cobertura mínima de nuvens - Enquanto a quantidade exata de terra requerida por uma planta de CSP variará com base nas tecnologias usadas, plantas de CSP tipicamente requerem 5 a 10 acres de terra por megawatt (MW) de capacidade.
  • > forte> Acesso acessível e próximo à transmissão - O terreno usado para os PECs deve ser adequado para a geração de energia, bem como fornecer acesso a uma rede de transmissão cada vez mais estressada e antiquada. As linhas de transmissão de alta tensão também são um requisito chave para os projetos de escala de utilização para transferir eletricidade do sistema de PEC para o usuário final.

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Tipos de sistemas de energia solar concentrada

Os quatro principais tipos de sistemas de CSP são:

  1. Sistemas de antena parabólica
  2. Sistemas de canal parabólico
  3. Sistemas de refletor Fresnel linear compacto
  4. Sistemas de torre de energia

> forte>Sistemas de antena parabólica empregam antenas em forma de U -- ou parabólicas -- espelhadas que têm cerca de dez vezes o tamanho de uma antena parabólica residencial para focalizar a luz solar no receptor que é montado no ponto focal da antena. Este receptor está integrado num motor de combustão externa de alta eficiência que utiliza tubos que contêm hidrogénio ou gás hélio que corre ao longo do exterior do motor e abre para os quatro cilindros de pistão.

Quando a luz solar concentrada é recolhida pelo receptor, este aquece o gás nos tubos a temperaturas extremas, fazendo com que o gás quente se expanda dentro dos cilindros. Este gás em expansão aciona os pistões que giram uma cambota que, por sua vez, alimenta o gerador que produz eletricidade.

Em um sistema parabólico, o receptor, o motor e o gerador formam um conjunto único e combinado que é colocado no ponto focal da placa espelhada. Para capturar o pico de energia solar, o sistema de antena parabólica segue o caminho do sol através do céu, semelhante a uma matriz de rastreamento.

forte>sistemas de canal parabólico forte>incorpora espelhos em forma de U que têm tubos cheios de óleo correndo ao longo do ponto focal. Os espelhos estão apontados para o sol e concentram a luz solar nos tubos de modo a aquecer o óleo no interior; as temperaturas podem atingir os 750°F. O óleo aquecido é então usado para ferver água e produzir o vapor que é usado para acionar turbinas e geradores.

forte>Sistemas de refletor Fresnel linear compacto utilizar longas filas paralelas de espelhos planos que custam menos que os espelhos curvos no sistema de canal parabólico. Os espelhos planos no sistema Fresnel linear compacto concentram a energia solar em receptores elevados que incorporam um conjunto de tubos cheios de água corrente. A luz solar focalizada é usada para ferver a água, produzindo assim vapor que pode ser usado para gerar energia.

>forte>Sistemas de torres de energia , às vezes chamados de receptores centrais, usam numerosos espelhos grandes e planos para seguir o sol e focalizar a energia solar num receptor. Neste sistema, o receptor senta-se no topo de uma torre alta e recolhe a luz solar que é usada para aquecer fluidos, tais como sal derretido; as temperaturas podem atingir até 1,050°F. O fluido aquecido pode ser usado imediatamente para fazer vapor e gerar eletricidade, ou pode ser armazenado e guardado para uso posterior.

Benefícios da energia solar concentrada

A redução das emissões de carbono é um dos maiores benefícios apresentados por todos os sistemas de energia solar. Alguns outros benefícios incluem:

  • >forte>Segurança energética - A energia renovável é doméstica, enquanto as fontes de petróleo e gás estão concentradas em áreas específicas. Um fornecimento diversificado de energia através de uma nação, fornecido por fontes de energia domésticas, reforça a segurança energética e contribui para uma estratégia energética sustentável e duradoura que pode proteger o fornecimento de energia das flutuações e vulnerabilidades prejudiciais do mercado. Diminuir a dependência de fontes importadas e substituir a energia estrangeira por eletricidade doméstica limpa e confiável pode proporcionar oportunidades econômicas locais, enquanto aumenta a segurança energética.
  • > forte> Confiabilidade duradoura forte> - Em média, as usinas de energia solar são construídas para até 25 a 30 anos de operação. O operador da usina deve entender que a tecnologia e os equipamentos precisarão ser mantidos, reformados e substituídos ao longo do tempo. Espera-se que cada modernização seja mais eficiente com um custo mais baixo. Portanto, a confiabilidade de longa data é estabelecida já que a fonte de energia renovável produz eletricidade por um longo tempo enquanto melhora continuamente a eficiência.
  • > forte> Preços cada vez mais competitivos forte> - Enquanto o custo do gás, combustíveis fósseis e outras alternativas energéticas continuam a flutuar entre as regiões, a energia renovável tem visto uma diminuição contínua no preço. A queda mais significativa tem sido na indústria solar, com os preços caindo cerca de 80% nos últimos sete anos. Portanto, a energia solar apresenta uma fonte de energia mais barata e mais econômica.

História da energia solar concentrada

Segundo o antigo mito grego, o conceito de energia solar concentrada foi descoberto pela primeira vez por Arquimedes em 214 - 212 AC. Ele desenvolveu uma tática de defesa onde os soldados usavam escudos de bronze para concentrar a luz solar nas naves romanas invasoras, fazendo com que as embarcações pegassem fogo. Entretanto, o primeiro uso documentado de CSP foi em 1866 quando August Mouchout usou um sistema de cocho parabólico para aquecer água e produzir vapor para acionar o primeiro motor solar a vapor.

Em 1912, Frank Schuman, um inventor da Filadélfia, Pensilvânia, estabeleceu um sistema de cocho parabólico em uma pequena comunidade agrícola em Meadi, Egito.  Os bebedouros eram usados para gerar vapor que, por sua vez, era usado para acionar grandes bombas de água, fornecendo 6.000 galões de água por minuto para vastas áreas de deserto.

Em 1968, a primeira planta CSP operacional foi construída em Sant'Ilario, Itália, pelo Professor Giovani Francia. A usina utilizava um sistema de torres de energia rodeado por um campo de outros coletores de energia solar.

Em 1982, uma coleção de organizações da indústria solar e o DOE dos EUA começou a operar o Solar One. Solar One foi um projeto de demonstração de 10 MW do sistema de torres de energia que estabeleceu o uso e operação viável do sistema.

Em 1986, a maior instalação de energia solar do mundo foi comissionada em Kramer Junction, Califórnia. O sistema utilizou filas de espelhos para concentrar a energia solar em um sistema de tubulações e aquecer o fluido de transferência no interior. O vapor produzido alimentou uma turbina que produzia eletricidade.

Entre 1996 e 1999, o DOE dos EUA e uma coleção de organizações da indústria solar trabalharam no Solar Two -- um projeto que supostamente era uma melhoria do projeto da torre de energia Solar One.

Futuro de energia solar concentrada e energia solar baseada no espaço

Avanços e invenções continuam a ser feitos que melhoram o uso e acessibilidade da energia solar concentrada.   As melhorias são continuamente desenvolvidas e aplicadas aos sistemas CSP, permitindo-lhes operar com maior eficiência e potência uma variedade de projetos em escala de utilização.

Desde meados do século 20, têm sido realizadas pesquisas sobre o uso da energia solar baseada no espaço (SBSP). SBSP é o conceito de que a energia solar pode ser capturada no espaço exterior e depois transferida para a Terra ou outros planetas para ser usada como eletricidade. SBSP tem a capacidade de resolver o efeito estufa do mundo com o mínimo impacto no ambiente.

Uma forma de construir um sistema SBSP é utilizando energia solar concentrada. Estes sistemas SBSP empregam a técnica de focalizar a energia solar usando espelhos que aquecem um líquido e acionam uma turbina que cria eletricidade.

Um obstáculo que está impedindo a experimentação e implantação generalizada de sistemas de energia solar baseados no espaço é o custo íngreme de adquirir e enviar todos os materiais necessários. SBSP tem a capacidade de fornecer energia constante, limpa e confiável a custos mais baratos, mas vai levar muitos anos de construção, testes, investimentos e implantações bem sucedidas antes mesmo que o sistema possa começar a compensar seus custos iniciais.