Esta geração refere-se aos sistemas de concentração para produção de energia elétrica, que por sua vez se divide em duas categorias, termoelétricos e fotovoltaicos.
2.5.4.1 Sistemas solares termoelétricos de concentração
Os sistemas solares termoelétricos de concentração utilizam a radiação solar para o aqueci- mento de um fluído, este atingirá altas temperaturas até passar ao estado gasoso, ao expandir-se fará girar uma turbina a vapor que se encontra acoplada a um gerador para assim produzir energia elétrica. Este processo de produção de energia assemelha-se ao de uma central termoelétrica, mas a fonte de energia neste caso é renovável, o que implica que não tem um custo de aquisição de energia primária associado, não provoca diretamente poluição e é praticamente inesgotável. O processo de concentração da irradiação solar pode ser feito através de lentes ou espelhos, que per- mite ter uma relação de concentração entre 25 e 3000 vezes superior à normal (em alguns autores a relação de concentração, número de vezes que a radiação aumentou comparativamente à normal, é definida como sendo o número de “sóis”). [6]
As suas principais desvantagens são o custo de investimento elevado e um rendimento de conversão ainda baixo. Além disso os sistemas solares de concentração funcionam essencialmente com irradiação solar direta, daí recomendar-se que este tipo de instalações só seja feito em locais onde o valor da irradiação solar direta anual ultrapasse os 2000 kWh/m2. Necessitam também de um sistema de seguimento solar para que o valor da radiação solar direta captada seja o maior possível [6].
Das tecnologias associadas a sistemas solares termoelétricos de concentração destacam-se [6,
9]:
• Sistemas de canal parabólico (parabolic trough) – Neste momento é a tecnologia mais avan- çada nesta área, existindo já várias centrais em Espanha com potências instaladas até aos 100 MW. O rendimento deste tipo de sistemas situa-se normalmente entre os 10% e os 15%. O seu processo de funcionamento pode ser genericamente descrito na seguinte sequência:
– Espelhos retangulares curvados em forma de parábola, com sistema de seguimento em 1 eixo, redirecionam a radiação solar para um “tubo recetor”;
– O fluído existente dentro do tubo irá aquecer; – Este gerará vapor num permutador de calor;
– Vapor esse que fará rodar uma turbina acoplada a um gerador elétrico, produzindo assim eletricidade.
• Sistemas de canal de Fresnel – Ainda pouco utilizado, este é como uma versão mais simples do sistema de canal parabólico. Mais simples na medida em que os espelhos não requerem curvaturas com grande precisão e o fluído que circula no “tubo recetor” é água que posterior- mente evaporará fazendo atuar diretamente o grupo turbina-gerador. Além de mais simples
este processo é também mais barato, no entanto o seu rendimento é inferior, atingindo um máximo que se situa entre os 9% e os 11%;
• Sistemas de disco parabólico (Parabolic dish) – Ao contrário dos dois sistemas anteriores em que a radiação solar era orientada para um “tubo recetor”, aqui é toda focado num ponto recetor. A radiação solar aquece o recetor, que contém um fluído ou gás, até a uma tempe- ratura de aproximadamente 750oC, quase o dobro da atingida pelas tecnologias anteriores. Após o fluído passar ao estado gasoso é entregue a um motor de Stirling para produção de energia elétrica. Apresenta um rendimento entre 16% a 18%, o que é um ponto bas- tante positivo, no entanto, a potência que este pode produzir é baixa e os custos de fabrico elevados.
• Sistemas de torre solar (Central receiver) – Este tipo de sistema consiste em direcionar a radiação solar para um permutador de calor situado no topo da torre (recetor), a chamada torre solar. A principal vantagem desta tecnologia é a possibilidade produzir mesmo nas horas em que não há Sol (se existir reserva de sal quente), a sua eficiência equivale a um razoável valor de 10%, tendo já chegado a atingir 20%. As desvantagens prendem-se com o complexo sistema de seguimento a dois eixos, a necessidade de contruir uma torre e as di- ficuldades técnicas associadas ao permutador. A sequência de funcionamento deste sistema pode ser genericamente descrita da seguinte forma:
– Espelhos, com sistema de seguimento em duplo eixo, redirecionam a radiação solar para o permutador solar colocado no topo da torre;
– O fluído, sal líquido, ao chegar ao recetor sofre um processo de aquecimento e depois é armazenado no chamado tanque “quente”;
– Daí é enviado para um sistema de geração de vapor, vapor esse que fica sobreaquecido e permite o funcionamento de uma turbina acoplada a um gerador para produção de energia elétrica;
– Depois de passar a turbina a vapor, o sal vai para o tanque “frio” que posteriormente o reenvia para o recetor, criando assim um ciclo.
2.5.4.2 Sistemas solares fotovoltaicos de concentração
Esta tecnologia solar fotovoltaica de concentração (CPV) começou a ser pensada aquando do inicio do estudo da conversão de energia solar em elétrica. Estes sistemas baseiam-se na concen- tração de uma elevada quantidade de radiação solar numa pequena área de células FV, utilizando para isso lentes, espelhos curvados, entre outros equipamentos do mesmo género. Esse processo permite aumentar a eficiência das células e reduzir também a área ocupada pelas mesmas. Como já foi dito, as tecnologias de concentração são baseadas essencialmente na radiação solar direta e, portanto, exigem sistemas de seguimento. A sua principal mais-valia é o rendimento que nesta tec- nologia pode ultrapassar os 30%, tendo ainda boas perspetivas de desenvolvimento. Os sistemas FV de concentração são divididos em duas principais categorias [6,52,53,54,55,56]:
• Fotovoltaico de baixa concentração (LCPV) – O chamado fotovoltaico de baixa concentra- ção engloba relações de concentração que variam desde de 2 a 100 vezes. Esse nível de concentração não gera um calor muito elevado e por isso normalmente utilizam-se células FV de silício cristalino, sem necessitarem de arrefecimento forçado. Apesar desta tecno- logia poder captar ainda uma pequena percentagem de radiação solar difusa, este deve ser dotado de um sistema de seguimento, que poderá ser de um ou dois eixos. Neste tipo de tecnologia já se conseguem rendimentos superiores a 27%;
• Fotovoltaico de alta concentração (HCPV) – Contempla instalações em que a relação de concentração varia desde as 100 até às 1000 vezes. A tecnologia de célula FV associada a sistemas deste género utiliza células multijunção, são células feitas com mais que uma junção p-n composta por semicondutores diferentes e do tipo III-V (referência à tabela pe- riódica) como o arsenieto de gálio e fosforeto de índio. A figura2.31apresenta um exemplo de célula multijunção (no caso de ser apenas de dupla junção, é por vezes chamada de célula tandem):
Figura 2.31: Exemplo de uma célula multijunção. [6]
As células multijunção são as mais eficientes até ao momento, tendo já ocorrido situações em que essa eficiência ultrapassou os 45%, além disso, e existem perspetivas de que ultra- passam os 80% nos próximos anos. O rendimento destas células tem uma menor sensibili- dade ao aumento da temperatura, algo que é essencial porque, com relações de concentração desta grandeza o aumento de temperatura é inevitável, ainda assim são utilizados apenas dis- sipadores de calor passivos. A desvantagem deste tipo de células está associada ao seu custo de fabrico, que é várias vezes superior ao das células ditas convencionais. Este tipo de sis- temas apenas funciona com radiação solar direta e, portanto, para que o seu rendimento seja aumentado, é necessário que estejam equipadas de seguidores solares de duplo eixo. A aposta tem recaído especialmente sobre os sistemas de alta concentração, exemplo disso é ilustrado na figura2.32através de um gráfico:
Figura 2.32: Potência instalada global de sistemas de HCPV e LCPV. [55]