Existem vários sistemas solares térmicos que funcionam com o ciclo ORC, mas podemos dividi-los em 4 categorias principais, dado que, utilizam a radiação solar como fonte primária de energia, podendo existir algumas variantes específicas. São elas:
Sistemas modulares
Lagos solares
Sistemas de dessalinização
Sistemas de refrigeração Duplex - Rankine
3.3.2.1. Sistemas modulares
Existem vários factores que estão a contribuir para o aumento do mercado de instalações de baixa potência:
A necessidade de sistemas de distribuição de energia em locais remotos ou isolados;
A necessidade de um modelo energético e económico de desenvolvimento sustentável em países
em vias de desenvolvimento;
Considerações ambientais: gerar energia através de fontes renováveis, amigas do ambiente; Privatização e diversificação do sector energético a uma escala global.
Nas instalações geotérmicas binárias (que envolvem a utilização de dois fluidos de trabalho), existe uma nuance interessante: o fluido geotérmico pode ser substituído por outros fluidos para permuta de calor, nomeadamente, água, óleos minerais ou sintéticos, e sais de nitrato, fluidos esses que são aquecidos até cerca de 400 ºC em colectores solares térmicos (figura 13 [84]), originando instalações solares modulares na gama dos 100 kW até aos 10 MW.
Os sistemas solares modulares baseados em ORC's, operam segundo o mesmo princípio de funcionamento, só que utilizam fluidos orgânicos em vez de vapor. As vantagens destes sistemas são, segundo Hassani [85]:
Operação a baixas temperaturas (<300 ºC): A possibilidade de utilizar fluidos de permuta
de calor baratos e com bastante disponibilidade, nomeadamente Caloria (óleo mineral), colectores solares concentradores de baixa temperatura e módulos ORC de baixa temperatura, adequados para regiões de baixa radiação solar incidente, tais como as regiões da África- subsariana.
Modularidade: Instalações grandes, na ordem das dezenas de MW de potência, podem ser
instaladas, combinando no mesmo local um grande número de módulos ORC.
Capital e custos de operação e manutenção reduzidos: Materiais, fluidos de permuta de
calor e colectores solares baratos podem ser utilizados. Os módulos ORC também são relativamente baratos. Os condensadores a ar poupam água e a operação remota reduz o número de operadores.
O princípio de funcionamento de um sistema solar térmico com um módulo ORC é ilustrado na figura
Este fluido pode chegar a temperaturas da ordem dos 160 °C [86]. Dadas as condições intermitentes, características da energia solar, é instalado um tanque com sais, que funciona como uma “bateria”, armazenando essa energia solar e permitindo a sua libertação uma taxa regulada, mantendo as condições de funcionamento da instalação constantes [87].
Por sua vez este tanque, fornecerá calor ao módulo ORC acoplado, através de um permutador de calor, conforme as necessidades energéticas da rede em que se encontra inserido. Neste caso particular, o ORC utiliza como fluido operante o R245fa, um frigorigénio, que é vaporizado durante a absorção de calor, e, posteriormente, é expandido num turbo-gerador, gerando energia elétrica. O fluido de transferência do calor, por seu turno, sai do permutador de calor a cerca de 100 ºC, pronto para absorver mais radiação solar, completando assim o ciclo principal [88].
Cogeração
Os colectores solares de média temperatura associados com módulos ORC podem funcionar eficientemente em aplicações de cogeração produzindo água quente e eletricidade "limpa". Testes levados a cabo pela empresa Solar Turbine Group International no Lesoto (figura 15), provaram que os micro ORC baseados em componentes AVAC são economicamente viáveis em regiões onde a rede elétrica não chega, sobretudo em países em vias de desenvolvimento, onde milhões de pessoas continuam sem acesso a eletricidade [89-91].
Dada a evolução tecnológica observada no campo dos colectores solares concentradores (CSP), com o desenvolvimento de colectores cada vez mais baratos, fiáveis e eficientes, e dada a evolução tecnológica observada também nos módulos ORC, tornando-os economicamente viáveis, é expectável, que num futuro próximo, mais instalações destes género sejam construídas.
3.3.2.2. Lagos solares
Uma instalação ORC de lago solar é constítuida por dois subsistemas: um lago solar com gradiente salino e um ciclo ORC convencional (figura 16). Um lago solar com gradiente salino é um largo reservatório de
Um lago solar é dividido em três zonas [92]:
1. A camada superior, com espessura de 15 a 30 cm, com água de baixa concentração salina, actua como uma película transparente e um isolante térmico;
2. A camada média, com espessura de 1 a 1,5 m, actua como um isolante adicional e é denominada camada de gradiente salino. Nesta camada, a concentração salina e a temperatura aumentam do topo para a base;
3. A camada inferior, com espessura de 2 a 7 m, com elevada concentração salina, funciona como um absorsor e reservatório térmico.
Princípio de Funcionamento
Durante o dia, o lago absorve a radiação solar, directa e difusa, e armazena-a na camada inferior, onde a extracção de calor pode ser programada especificamente para uma dada hora do dia. Durante a operação, a camada inferior fornece calor ao evaporador, vaporizando o fluido orgânico. Esse vapor é expandido numa turbina acoplada a um gerador, produzindo eletricidade. Posteriormente, o fluido é arrefecido no condensador, antes de ser bombeado para o evaporador, completando o ciclo, conforme ilustrado na figura 16.
Instalações
O rendimento térmico do ciclo ronda os 15 a 25 %, enquanto a eficiência solar-elétrica ronda os 0,8 a 2% [92]. Os estudos nesta área começaram em Israel, entre 1950-1970, dada a sua elevada taxa de radiação solar incidente, tornando-o propício a aplicações deste tipo. O primeiro lago solar foi instalado em 1975, na região do Mar Morto, com uma área de 1100 m2. Desde esse período, foram construídas
várias instalações com esta tecnologia, destacando-se a de Beith Ha'avara em Israel (5 MW, 250.000 m2).
3.3.2.3. Sistemas de dessalinização
A dessalinização consiste na remoção do sal e outras partículas da água do mar ou salobra [93], dependendo da concentração do sal, visando torná-la apropriada para o consumo humano. As tecnologias de dessalinização são classificadas em dois grupos distintos, de acordo com o seu mecanismo de separação [94]:
Térmica: O sal é separado da água através de processos de evaporação e condensação; Por membrana: o sal é separado da água pelo mecanismo de difusão através de uma
membrana, sendo os sais praticamente todos retidos;
A osmose inversa (RO) e o estágio multi-flash (MSF) são as tecnologias mais amplamente utilizadas. Recentemente, tem-se verificado uma tendência para realizar a dessalinização através de energias renováveis, diminuindo o impacto das instalações convencionais no ambiente. Além disso, a particularidade da redução de escala de tais sistemas, permite a sua disseminação, em áreas remotas do globo terrestre, especialmente em regiões subdesenvolvidas onde a escassez de água potável constitui o maior óbice à vida. Pelas razões mencionadas, estes sistemas podem ser agrupados com painéis solares fotovoltaicos ou colectores solares térmicos.
Osmose inversa
A osmose inversa pode ser alimentada por eletricidade ou trabalho mecânico. É uma técnica de separação promovida pela diferença de pressões, baseada numa propriedade de certos polímeros, chamada semi-permeabilidade. Enquanto esses polímeros são muito permeáveis à água, a sua permeabilidade para substâncias dissolvidas é baixa.
Aplicando uma diferença de pressões através da membrana, a água contida na porção é forçada a atravessar a membrana. A fim de superar a pressão osmótica, é necessária uma elevada pressão de alimentação, que pode variar entre 15 a 25 bar, para água salobra, ou 60 a 80 bar, para a água do mar. O processo de bombagem pode ser facilmente conseguido através energia elétrica ou mecânica, pelo que, a osmose inversa torna-se o candidato ideal para a implementação de um sistema de dessalinização movido a energia renovável.
Um sistema ORC alimentado a energia solar é constituido por: um sistema de captação da radiação solar e um módulo de dessalinização por osmose reversa, conforme ilustrado na figura 17. O sistema de captação da energia solar converte a radiação solar em energia mecânica, que por sua vez é utilizada para accionar a bomba de alta pressão (HPP) da unidade dessalinizadora.
A primeira instalação deste género foi construída em Cadarache, na França [95]. A bomba de alta pressão era alimentada por um sistema solar de 2,5 kW e funcionava com R114 como fluido de trabalho, produzindo água fresca a partir de água salobra à taxa de 2.500 l/h.
Recentemente, Bruno et al. [96] investigaram a viabilidade técnico-económica dos sistemas ORC de dessalinização por osmose inversa (ORC-RO) e concluíram que estes sistemas são uma alternativa mais económica aos sistemas fotovoltaicos de dessalinização por osmose inversa (PV-RO). Os colectores solares concentradores parabólicos (PTC) num único estágio ou em dois estágios em cascata com toluenos, pentanos ou Propilbenzeno como fluido operante podem formar a base para médios e grandes sistemas de ORC-RO.
Condições de funcionamento
Os ciclos que operam com temperatura máxima da ordem dos 250-400 ºC e com uma temperatura de condensação de 35 ºC, têm um rendimento da ordem 25-35%. Nestas condições, uma instalação com uma taxa de produção de água fresca da ordem dos 15 m3/dia, pode produzir, a partir de água salobra
com um custo de 2,30 €/m3 ou a partir de água do mar com um custo de 5 €/m3 [12].
Sistemas ORC-RO-AVAC
Os sistemas ORC-RO podem ser reduzidos de tamanho utilizando componentes AVAC. Nesta perspectiva, Manolakos et. al. [97, 98] projectaram e testaram um pequeno sistema autónomo utilizando um dispositivo de expansão scroll, colectores solares de tubos de vácuo e R134a como fluido operante. A avaliação económica mostrou que a configuração básica do ciclo ORC não era viável quando comparada com um sistema PV-RO da mesma dimensão. Este estudo, apontou como custos, 7,77 €/m3 para o sistema PV-RO e 12,53 €/m3 para o sistema ORC-RO. Para optimizar a utilização dos
3.3.2.4. Sistemas de refrigeração Duplex – Rankine
Os sistemas solares de ar-condicionado, dado o facto de reduzirem o pico de carga e de consumo de eletricidade no Verão em edíficios e indústrias, foram alvo de uma forte investigação e desenvolvimento na década de 1970, fruto da crise petrolífera, tendo sido abandonados pouco tempo depois desta terminar.
Recentemente, a investigação nesta área foi retomada. Henning [100] e Kim e Ferreira [101], listaram as soluções para conversão da radiação solar em refrigeração:
Adsorção: Adsorção, absorção, troca iónica; Fotovoltaica: compressão de vapor;
Termo-mecânica: Rankine, ejector, Stirling;
Num sistema termo-mecânico de refrigeração, uma máquina térmica converte a energia solar em trabalho de veio, que por sua vez acciona um ciclo de refrigeração por compressão de vapor, conforme ilustrado na figura 18. As máquinas térmicas podem funcionar segundo os ciclos de Brayton, Stirling e Rankine.
Um sistema de refrigeração de Rankine de duplo estágio (Duplex-Rankine) (figura 19 [102]), é constituído por dois subsistemas: ciclo de potência de Rankine e um ciclo de compressão de vapor. A radiação solar capturada pelos colectores é convertida em calor, utilizando um fluido de transferência de calor. Este calor é transferido para o fluido de trabalho do ciclo de Rankine, através do evaporador. O vapor de elevada pressão é expandido numa turbina que acciona o compressor do ciclo de compressão de vapor, responsável pela refrigeração. O COP do ciclo de refrigeração é semelhante ao de um ciclo dito normal de compressão de vapor, mas o rendimento termodinâmico do ciclo de Rankine é bastante baixo (cerca de 10 %). Um sobreaquecedor é adicionado ao sistema para evitar uma operação bifásica na turbina, altamente indesejável.
Uma análise económica realizada por Kim e Ferreira [101], mostra que os sistemas duplex-Rankine são mais baratos quando comparados com outros sistemas termo-mecânicos, mas duas ou três vezes mais caros quando comparados com sistemas de adsorção. Pelas razões mencionadas, os sistemas de adsorção que utilizam fluidos ecológicos são preferidos hoje em dia.