geração heliotérmica

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ UNIOESTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENERGIA NA AGRICULTURA - PPGEA Evandro Luiz Volpato Janaina Bedin Ricardo Cortina Benassi Robson Josué Molgaro Wellington Lucas Tondo ENERGIA HELIOTÉRMICA Trabalho apresentado à disciplina Fontes renováveis e matriz energética, como requisito parcial para aprovação. Profº Jair Antonio Cruz Siqueira Cascavel 2013

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O baixo custo das energias tradicionais, oriunda de hidroeletricidade, de combustível atômico, ou combustíveis fósseis usados para mover a frota de veículos, tem impedido que as fontes renováveis conquistem com maior velocidade uma posição de destaque. Esta situação começa a mudar conforme se esgota as fontes ditas “baratas” de energia. Como exemplo, temos a dificuldade crescente em obter licenças para a construção de grandes usinas hidrelétricas, e com a constante pressão para o aumento de oferta de energia, somado a condições climáticas desfavoráveis, tem sido necessário a geração de eletricidade com o uso de combustíveis fósseis. Neste caso, o custo da geração de energia elétrica é alto, o que tem feito que fontes renováveis de energia, ganhem competitividade, estimulando os investimentos nesta área. O mesmo se aplica a energia solar, seja para aquecimento de água, seja para geração de eletricidade. Com o aumento de custo das fontes tradicionais, aliado ao desenvolvimento tecnológico das plantas de aproveitamento de fontes renováveis, a utilização destas fontes de energia começa a se tornar competitiva.

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Page 1: Geração heliotérmica

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ – UNIOESTE

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENERGIA NA AGRICULTURA -

PPGEA

Evandro Luiz Volpato Janaina Bedin

Ricardo Cortina Benassi Robson Josué Molgaro Wellington Lucas Tondo

ENERGIA HELIOTÉRMICA Trabalho apresentado à disciplina Fontes renováveis e matriz energética, como requisito parcial para aprovação.

Profº Jair Antonio Cruz Siqueira

Cascavel 2013

Page 2: Geração heliotérmica

1. INTRODUÇÃO

O baixo custo das energias tradicionais, oriunda de hidroeletricidade,

de combustível atômico, ou combustíveis fósseis usados para mover a frota de

veículos, tem impedido que as fontes renováveis conquistem com maior

velocidade uma posição de destaque. Esta situação começa a mudar conforme

se esgota as fontes ditas “baratas” de energia. Como exemplo, temos a

dificuldade crescente em obter licenças para a construção de grandes usinas

hidrelétricas, e com a constante pressão para o aumento de oferta de energia,

somado a condições climáticas desfavoráveis, tem sido necessário a geração

de eletricidade com o uso de combustíveis fósseis. Neste caso, o custo da

geração de energia elétrica é alto, o que tem feito que fontes renováveis de

energia, ganhem competitividade, estimulando os investimentos nesta área. O

mesmo se aplica a energia solar, seja para aquecimento de água, seja para

geração de eletricidade. Com o aumento de custo das fontes tradicionais,

aliado ao desenvolvimento tecnológico das plantas de aproveitamento de

fontes renováveis, a utilização destas fontes de energia começa a se tornar

competitiva.

2. ENERGIAS RENOVÁVEIS

Segundo ANEEL (2008), em muitos países ocorreu uma expansão das

chamadas fontes renováveis de energia, principalmente no ano de 2008. Mas

as duas principais fontes, aproveitamento hídrico e biomassa, não

apresentaram significativo potencial de expansão. Assim, pesquisas e

aplicações acabaram por se beneficiar de outros grupos, os chamados "Outras

fontes" ou "Fontes alternativas". Nesse grupo, estão a energia proveniente dos

ventos (Eólica), a maremotriz, geotérmica (calor existente no interior da Terra),

esgoto, lixo e dejetos de animais. O que existe em comum entre elas é o fato

de serem renovavéis, ou seja, corretas do ponto de vista ambiental. O que

possibilita não só a diversificação, mas também a "limpeza" da matriz

energética local, ao reduzir a dependência dos combustíveis fósseis, como o

carvão e o petróleo, cujo o uso é responsável pela grande parte das emissões

de gases que provocam o efeito estufa. Essas fontes também permitem operar

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como fontes complementares a grandes usinas hidrelétricas, cujo potencial é

bastante aproveitado, principalmente em países desenvolvidos.

3. ENERGIA SOLAR: HISTÓRICO

O uso da energia solar em grande porte foi referenciado por diversos

autores entre 100 a.C. e 1.100 d.C. e no livro Optics Vitelio, do matemático

polonês Vitelio, embora não comprovado, Arquimedes (282 a 212 a.C.), teria

queimado a frota romana na Baía de Syracuse (hoje Itália) concentrando raios

solares em um foco a ponto de aquece-los até pegarem fogo. Segundo relatos

Arquimedes utilizou um vidro composto com 24 espelhos que convergiam para

um único ponto focal, alguns historiadores acreditam que Arquimedes teria

utilizado escudos de soldados ao invés de espelhos em função da tecnologia

de manufatura de vidros para a época.

Durante o período Bizantino, Proclus teria repetido o experimento e

queimado a frota inimiga em Constantinopla (KALOGIROU, 2009). Já no século

XVIII, na Europa e Oriente Médio, Lodi (2011) traz que deu-se início ao

desenvolvimento das fornalhas solares, cuja aplicação era a fundição de

metais, principalmente ferro e cobre.

No século XIX, segundo Ragheb (2011 apud LODI, 2011) surgiram as

primeiras máquinas a vapor movidas à energia solar teriam sido construídas

por Augusto Mouchot, entre 1864 a 1878, na Europa e norte da África. Uma de

suas produções, uma impressora movida à energia solar (Figura 01) foi

apresentada em uma exposição internacional em Paris, em 1882, considerada

pelo governo francês cara demais para ser fabricada em larga escala.

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Figura 1: Coletor parabólico de uma impressora à energia solar (Paris, 1882)

Fonte: KALOGIROU (2009)

O século XX ocorreu uma continuidade na evolução do uso da energia

solar em concentradores. Em 1901, A. G. Eneas instalou um coletor solar para

bombeamento de água em uma fazenda da Califórnia, o que segundo Kreith e

Kreider (1978, apud Kalogirou, 2009), consistia de uma estrutura similar a um

guarda-chuva invertido, composto por 1788 espelhos alinhados em sua parte

interna, onde os raios solares eram concentrados em uma caldeira localizada

em seu ponto focal. Na caldeira, a água era vaporizada e utilizada para operar

uma centrífuga.

Ragheb (2011 apud Lodi, 2011) traz que em 1912, Frank Shuman e

Charles Vernon Boys construíram uma planta de bombeamento de água

próximo ao Rio Nilo, no Egito. Lodi (2011) acrescenta que apesar de o projeto

ter sido bem sucedido, a planta foi desativada em 1915 em função da 1ª

Guerra Mundial. Após a guerra, grandes descobertas de campos de petróleo

no Oriente Médio e na Venezuela, contribuíram para a expansão do setor

petrolífero e em paralelo para um esquecimento da energia solar.

Yergin e Hobbs (2005) relatam que durante a década de 1970,

ocorreram o primeiro e o segundo choques do petróleo, em 1973 e 1978

respectivamente, fato que estimulou o incentivo de diversas fontes alternativas

de energia e o desenvolvimento dos atuais modelos de coletores solares, que

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começaram nos EUA na década de 1970 coordenados pelo DOE. Os grandes

investimentos em pesquisa e desenvolvimento no setor, na Europa também

surgiram na década de 1970.

Malagueta (2012) traz que o conhecimento adquirido em programa e

desenvolvimento, ao longo dos anos, assim como o aprimoramento da

tecnologia e os incentivos econômicos, contribuem para que EUA e Espanha

sejam hoje em dia os países referências no setor de energia solar térmica de

alta potência.

4. ENERGIA HELIOTÉRMICA NO BRASIL

Kreider e Kreith (1985) trazem que a energia solar é a forma mais

abundante de energia disponível do mundo. É uma alternativa importante para

a geração de eletricidade que oferece vantagens econômicas e ecológicas,

sendo uma fonte inesgotável, renovável e gratuita.

Cavalcanti e Brito (1999) trazem que o Brasil é um país com elevado

potencial para a implementação de plantas heliotérmicas, por causa da

grandes áreas com disponibilidade de radiação solar e a proximidade do

equador. Energia solar em quantidade suficiente para uso em grande escala

comercial é predominantemente disponível na área de semiárido, localizada

principalmente na Região Nordeste brasileira. Esta área apresenta as melhores

condições climatológicas para a instalação de plantas térmicas solares, como,

baixa nebulosidade, precipitação reduzida, baixa umidade, alta insolação, e o

mais alto nível de radiação solar direta disponível no Brasil.

Para os autores a limitação do uso da hidroeletricidade e a demanda

potencial de eletricidade para irrigar o semiárido na região Nordeste apoiam a

ideia de associar a geração heliotérmica a projetos de irrigação. Esta

associação criará maior disponibilidade de energia nesta região. Esta energia

conduzirá a vários benefícios, tais como: crescimento local e desenvolvimento,

implementação de benefícios sociais locais, oferta de novos empregos no

campo evitando o êxodo rural, água para a irrigação ao invés da geração, a

hidroeletricidade não usada para irrigação estará disponível para outras

aplicações.

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5. O SISTEMA

5.1 COLETORES SOLARES

Kalogirou (2009) define os coletores solares como trocadores de calor

que transformam radiação solar em calor. O sistema dos coletores capta a

radiação solar, a converte em calor, e transfere esse calor para um fluido (ar,

água ou óleo em geral). Os coletores podem ser concentradores e

nãoconcentradores. Os coletores não concentradores possuem a mesma área

de abertura (área para interceptação e absorção da radiação) e são aplicáveis

para sistemas que necessitem de baixa temperatura. Em aplicações que

demandem temperaturas mais elevadas, são mais adequados os

concentradores solares, que possuem em geral uma superfície refletora (em

alguns modelos são utilizadas lentes) que direcionam a radiação direta a um

foco, onde há um receptor pelo qual escoa o fluido absorvedor de calor.

Segundo o autor o sistema ainda pode ser classificados em

estacionários ou rastreadores. Dentre os rastreadores, os coletores podem

rastrear em um eixo ou em dois eixos.

5.1.1 Concentradores Cilíndricos-Parabólicos

Os coletores cilindrícos parabólicos (Figura 02) são revestidos por um

material refletor em formato parabólico. Ao longo da linha de foco do refletor

parabólico é colocado um tubo metálico preto, coberto por um tubo de vidro

para evitar perdas de calor, denominado receptor (KALOGIROU, 2009).

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Figura 02: Concentradores Cilíndricos-Parabólicos

Fonte: CRESESB (2013)

Os sistema funciona basicamente pelo direcionamento dos rios solares

através da reflexão pelas superfícies dos concentradores (Figura 03). Para

Kalogirou (2009) a radiação concentrada aquece o fluido que circula

internamente no tubo.

Figura 03: Esquema da concentração da radiação em um concentrador parabólico

Fonte: SOLARPACES (2011) apud LODI (2011)

Page 8: Geração heliotérmica

Kalogirou (2009) traz que é comum serem construídos com sistema de

rastreamento de um eixo, podendo ser orientados no sentido leste-oeste com

rastreamento do sol de norte a sul, ou no sentido norte-sul rastreando o sol de

leste a oeste. No sentido leste-oeste tem-se como vantagens o fato de mover-

se pouco ao longo de todo o dia e de sempre ficar diretamente voltado para o

sol ao meio-dia. Porém possui uma performance reduzida no início do dia e no

fim da tarde, devido aos maiores ângulos de incidência dos raios solares sobre

a superfície coletora. No sentido norte-sul, tem-se os maiores ângulos de

incidência durante o meio-dia e consequentemente as maiores perdas de calor

nessa fase do dia, enquanto aponta mais diretamente para o sol no início do

dia e no fim da tarde.

5.1.2 Coletor Fresnel

Os coletores Fresnel têm duas variações: o coletor Fresnel de lentes e

o refletor linear Fresnel. O coletor Fresnel consiste de um material plástico

transparente de modo a concentrar os raios a um receptor, enquanto o refletor

linear Fresnel é formado por uma série de tiras planas lineares de espelho

(KALOGIROU, 2009).

Kalogirou (2009) traz que os modelos Fresnel (Figura 04) não são

ainda uma tecnologia madura e a maior parte das plantas existentes no mundo

são plantas piloto, com algumas poucas plantas comerciais de baixa potência

(de 1 a 5 MW) em operação nos EUA e na Espanha.

Figura 04: Refletor Fresnel

Fonte: AREVA (2011) apud LODI (2011)

Page 9: Geração heliotérmica

5.1.3 Disco Parabólico

O disco parabólico (Figura 05) é um concentrador de foco pontual. O

disco rastreia o sol em dois eixos, e assim é capaz de apontar diretamente para

o sol desde o nascer até o poente (KALOGIROU, 2009).

Figura 05: Concentrador de disco parabólico

Fonte: CRECESB (2013)

Nesse sistema os raios solares incidem sobre a parábola e são

concentrados no ponto focal da parábola, onde aquecem o fluido circulante.

Kalogirou (2009) aponta que esse calor pode ser usado de duas maneiras:

transportado por tubulação para um sistema central ou transformado

diretamente em eletricidade em um gerador acoplado diretamente no receptor,

sendo o mais comum.

5.1.4 Torre Central

Um campo de coletores de heliostatos é composto de vários espelhos

planos (ou levemente côncavos), capazes de rastrear o sol em dois eixos, e

que reflete os raios do sol na direção de um receptor central, instalado no alto

Page 10: Geração heliotérmica

de uma torre, sendo assim, esse tipo de planta é conhecida como torre de

concentração (KALOGIROU, 2009).

O calor concentrado absorvido no receptor é transferido para um fluido

circulante que pode ser armazenado e/ou utilizado para produzir trabalho

(KALOGIROU, 2009). A torre de concentração (Figura 06) possui algumas

vantagens como: os espelhos coletam a luz solar e a concentram em um único

receptor, minimizando assim o transporte de energia térmica. Esse sistema,

assim como o concentrador em disco, por concentrar os raios solares em um

único receptor central e por rastrear o sol em dois eixos, possui altas taxas de

concentração, de 300 a 1500, menor apenas que o disco.

Figura 06: Torre de concentração

Fonte: ABENGOA (2012)

5.1.5 Receptor

Kalogirou (2009) define que o receptor deve ser instalado na linha de

foco dos concentradores e costuma ter de 25 a 150 metros de comprimento.

Sua superfície é revestida por uma cobertura com alta absorbância a irradiação

solar e baixa emitância para irradiação térmica (infravermelho).

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Figura 06: Receptor

Fonte: INFRASCAPEDESIGN (2013)

Em geral uma cobertura de vidro é usada ao redor do receptor para

reduzir as perdas por convecção do receptor para o ar ambiente, reduzindo

assim o coeficiente de perda de calor (KALOGIROU, 2009). Para o autor, uma

desvantagem é que a luz refletida pelo coletor tem de atravessar o vidro,

adicionando assim uma transmitância (de aproximadamente 0,9 quando o vidro

está limpo). Outra medida comum para redução das perdas por convecção é

manter um vácuo no espaço entre o vidro e o tubo receptor.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Não há como fazer um aproveitamento energético sem que isto venha

a causar algum impacto sobre o meio ambiente. O que é possível é buscar

formas de aproveitamento que tenham o menor impacto possível, ou que estes

impactos possam ser mitigados. Sob este prisma é que devemos avaliar as

opções de fontes energéticas: como fazer uso dos recursos naturais para dar

suporte à vida humana, sem exaurir os recursos disponíveis, nem tão pouco

sobrecarregarmos o ecossistema de resíduos, a ponto de excedermos a

capacidade de recuperação/reciclagem natural, transformando esses resíduos

em poluição. Isto nos leva ao conceito de “desenvolvimento sustentável”, que

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considera o desenvolvimento econômico com o uso de energias renováveis, e

nestes termos é que devemos considerar a geração héliotérmica.

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REFERÊNCIAS

ABENGOA, 2012. Abengoa Innovative Technology Solutions for Sustainability. Disponível em:<http://www.abengoa.es> Acesso em: Nov. 2013 ANELL, Atlas de Energia Elétrica do Brasil - Parte II, 2008 Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/atlas_par2_cap5.pdf> Acesso em: Nov. 2013 CAVALCANTI E. S. C.; BRITO R. B. S. Geração Heliotérmica: Uma Nova Opção de Energia Limpa para o Brasil. Artigo a ser submetido ao VIII Congresso Brasileiro de Energia – CBE. Rio de Janeiro, 1999. CRESESB. Concentradores Cilíndricos-Parabólicos. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br> Acesso em: Nov. 2013 INFRASCAPEDESIGN. Receptor <http://www.infrascapedesign.wordpress.com> Acesso em: Nov. 2013 KALOGIROU, S. A., 2009. Solar energy engineering: processes and systems. 1ª edição, Academic Press, Elsevier, EUA LODI, C., 2011. Perspectivas para a Geração de Energia Elétrica no Brasil Utilizando a Tecnologia Solar Térmica Concentrada. Dissertação de M.Sc., Universidade Federal do Rio de Janeiro, PPE/COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. MALAGUETA, D. C. Geração Heliotérmica :Princípios e Tecnologias. CRESESB/CEPEL: Rio de Janeiro, 2012 YERGIN, D.; HOBBS, D.. In Search of Reasonable Certainty – Oil and Gás Reserves Disclosure. CERA, 2005