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Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOSPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

Coletor Fresnel linear

2º. semestre, 2017

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Concentrador Fresnel linear

� Há dois tipos de concentradores com foco linear em plantas de geração de potência ou produção de calor de processo: calha parabólica e Fresnel linear.

� Os concentradores de calha parabólica apresentam a solução ótima em relação à relação de concentração alcançável e da produção de energia por área de abertura e, consequentemente, da eficiência global da planta nesse tipo de tecnologia (espelhos com foco linear).

� Essas são algumas das razões que justificam os esforços de desenvolvimento da tecnologia de concentração com a geometria de calha parabólica.

� No entanto, nos últimos 15 anos os coletores Fresnel lineares vem despertando um crescente interesse.

� Uma das principais justificativas para isso é a busca por soluções mais baratas. As vantagens econômicas do coletor Fresnel residem, basicamente, na simplicidade construtiva. Além disso, permite uma maior eficiência do uso do terreno, superior a qualquer outra tecnologia.

3


� O nome Fresnel linear é utilizado para denominar esse coletor em função da lente de Fresnel, desenvolvida pelo físico francês Augustin-Jean Fresnel no século 18 para uso em faróis costeiros, em substituição às lentes tradicionalmente utilizadas.

4


� O princípio dessas lentes é o recorte da superfície contínua de uma lente padrão em um conjunto de superfícies descontínuas entre elas. Isso reduz a espessura da lente e, assim, seu peso e volume. Como consequência, reduz a qualidade da imagem.

5


� O princípio de divisão do elemento óptico em segmentos que possuem conjuntamente o mesmo (ou muito similar) efeito óptico que o elemento original pode também ser aplicado em espelhos.

� Assim é possível dividir um espelho paraboloide (disco parabólico) em segmentos anulares (formando um espelho Fresnel circular) que foca a luz recebida em raios paralelos ao eixo óptico em um ponto focal.

� De maneira análoga, um espelho Fresnel linear pode ser construído substituindo uma calha parabólica por segmentos lineares que focam a radiação incidente em um plano paralelo ao plano de simetria da calha parabólica em uma linha focal.

� Isso é, um coletor Fresnel tem um efeito similar a um de calha parabólica com a mesma distância focal e a mesma abertura (com pequenas distinções, obviamente).

� Por exemplo: os espelhos do coletor Fresnel são móveis, assim que a radiação direta que entra no sistema fora do plano paralelo do eixo óptico também pode ser concentrada. Além disso, o caminho óptico dos raios, após a reflexão, não é idêntico e os ângulos de incidência no plano focal são levemente diferentes.

6


7


� O resultado final dessa aproximação é o coletor Fresnel linear utilizado atualmente.

8


� Neste sistema, um conjunto de refletores planos (ou com uma leve curvatura) concentram a radiação solar em um receptor invertido, colocado em uma posição mais elevada. O fluido de trabalho escoa através do receptor, sendo então aquecido (a alta temperatura) ou mesmo para a geração direta de vapor.

� Entende-se como uma tecnologia de baixo custo para a produção de calor de processo para aplicações industriais.

9


� O primeiro protótipo de um coletor Fresnel linear foi construído em 1964, na Itália pelo matemático autodidata Giovani Francia, que foi testado na estação solar em Lacédémone-Marseille, com suporte do governo francês (CNRS), NATO e pela Cooperação Mediterrânea de Energia Solar (COMPLES).

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� No início de 2000, essa tecnologia ganhou impulso. A primeira empresa que construiu um coletor Fresnel foi a Solarmundo, da Bélgica. A empresa começou testando um coletor de 2.500 m2, em Liège, também na Bélgica, em 2001 e chamou atenção justamente pela alegação que essa tecnologia era mais rentável que as existentes.

11


� Em 2004, a empresa australiana Solar Heat and Power, que posteriormente transferiu-se para os EUA mudando seu nome para Ausra, construiu um coletor Fresnel em Liddell, Austrália, para gerar vapor, com potência de 1 MW. De 2005 a 2008 essa companhia ampliou sua capacidade até 9 MW, fornecendo vapor para uma termelétrica a carvão.

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� Em 2008, a Ausra construiu a primeira planta de potência operando exclusivamente com energia solar, em Bakersfield, Califórnia, com potência elétrica de 5 MW.

� Em 2010 a empresa foi adquirida pelo grupo francês Areva.

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� Na Europa, o Solar Power Group (SPG) foi fundado em 2004 à partir de membros da equipe da antiga Solarmundo e participou da construção e operação do coletor piloto Fresdemo, localizado na Plataforma Solar de Almería, Espanha, em 2007. Esse projeto foi realizado em cooperação com o DLR, MAN Ferrostaal e o Instituto Fraunhofer (ISE).

� Tem 100 m de comprimento, módulos de 21 m de largura e superfície primária de espelhos de 1.433 m2 com 1.200 espelhos montados em 25 linhas paralelas. Foi projetado para trabalhar com vapor na pressão máxima de 100 bar e temperatura de 450 °C.

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� A primeira planta comercial construída na Europa, a PE 1 (Puerto Errado), foi realizada pela empresa Novatec Solar AG (naquele momento chamada de Novatec Biosol). Foi construída em Murcia, na Espanha e tem uma potência elétrica de 1,4 MW, iniciando sua operação em 2009.

15


� A segunda planta comercial construída na Europa, a PE 2, no mesmo local da PE 1 e pela mesma empresa, possui potência elétrica de 30 MW, com área de abertura de 302.000 m2, operando a 270 °C e 55 bar. A potência térmica de pico é de 150 MWth, produzindo 49 GWh/ano. Opera desde 2012 e ainda é considerada a maior planta do mundo.

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� O coletor linear Fresnel (LFR) é composto de três partes: campo de espelhos, receptor e dispositivo de rastreamento solar.

� O campo de espelhos é constituído por um número de tiras de espelho onde os eixos centrais desses espelhos estão em paralelo um com o outro, no mesmo plano horizontal. Os espelhos planos são levemente curvados, mecanicamente.

� Da mesma forma que para os espelhos dos concentradores de calha parabólica, o recobrimento é feito de prata e possuem, em geral, 3 mm de espessura.


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� Teoricamente, os espelhos de um refletor Fresnel linear podem ser planos uma vez que sua função é refletir a radiação incidente até o absorvedor, situado a uma dada altura em relação ao plano dos espelhos. A possibilidade de usar espelhos planos é atrativa, uma vez que facilita a fabricação e o processo de montagem sobre as estruturas de fixação e, consequentemente, reduz os custos totais da instalação.

� No entanto, devido ao tamanho finito do disco solar, correspondendo a um ângulo subentendido de aproximadamente 32’, o feixe de raios refletidos diverge do espelho, em um fenômeno conhecido como spillage ou dispersão, não atingindo o plano de abertura do receptor. Esse fenômeno produz perdas ópticas significativas e é mostrado esquematicamente na figura abaixo:

Curvatura dos espelhos

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� Uma das soluções para reduzir essas perdas é aumentar a largura do receptor. No entanto, essa solução faz com que a concentração no absorvedor secundário diminua uma vez que a relação entre essa área e a área do refletor também diminui. Outra solução é aproximar o espelho do absorvedor, diminuindo a altura H. No entanto, diminuindo H as perdas por sombreamento e bloqueio incrementam.

� As perdas por spillage aumentam com a distância focal do refletor. Isso significa que a dispersão do feixe de radiação deixando o espelho diverge mais acentuadamente para os espelhos situados próximos das extremidades da matriz de espelhos.

� A solução definitiva para a redução das perdas ópticas por spillage é através da curvatura dos espelhos. Como será mostrado adiante, a curvatura necessária é extremamente baixa e de fácil obtenção.

� Como a distância focal de cada espelho em relação ao absorvedor aumenta com o afastamento do espelho em relação ao centro do refletor, cada espelho possui uma curvatura diferente, sendo maior para os espelhos centrais e menor para os espelhos situados nas extremidades do refletor.

� Mills e Morrison (2000) compararam a energia entregue por diferentes formatos de espelhos para um refletor Fresnel linear com uma altura do absorvedor de 15 m e 48 espelhos com largura de 0,95 m. Nesse estudo, a energia entregue pelos espelhos com curvatura constante foi 0,6% inferior à energia entregue pelos espelhos com curvaturas variáveis. Já para o caso de espelhos planos, a redução chegou a 13%.


19

� Essa curva, chamada de y(x) no plano x-y é simétrica ao eixo y, isso é, y(-x)=y(x) e C é o centro dessa circunferência. Considere dois feixes de radiação paralelos ao eixo y que atingem a curvatura do espelho: o primeiro raio (linha cheia) atinge o espelho no ponto P com um ângulo de incidência θ1 em relação à normal nesse ponto, sofrendo uma reflexão até o foco F do espelho. Pela lei da reflexão para uma superfície especular, o ângulo de reflexão desse feixe será igual ao ângulo de incidência, ou seja, θ1 = θ2. Além disso, como o raio incidente é paralelo ao eixo de curvatura, o triângulo CFP é isósceles onde os lados FP e FC são iguais. Como consequência, θ3 = θ1 = θ2 e o comprimento CF é igual a r/2 para valores pequenos de θ3.


20

� À medida que θ3 aumenta, como é o caso do segundo feixe de radiação (linhas pontilhadas), o raio refletido cruza a linha abaixo de F, como mostrado na figura. O aumento do espalhamento da imagem refletida em função do aumento de θ3 é chamado de aberração esférica.


21

� O ângulo de borda, ψrim, mostrado na mesma figura, define a abertura de entrada do espelho. Se o ângulo de borda de uma calha cilíndrica (projeção da superfície x-y no eixo z) for mantido suficientemente baixo, por exemplo menor que 20°, a aberração esférica é pequena e um foco linear pode ser obtido, como pode ser observado na Fig. 2 que apresenta focalizações de espelhos circulares para diferentes ângulos de borda, conforme Stine e Harrigan (1985).


22

� Pela análise da figura abaixo, usando a relação de triângulos semelhantes, pode-se verificar que o ângulo formado pelos segmentos QFP equivale a 2θ. Assim, o comprimento do segmento FQ é dado pela Eq. 2:


θ2tan

xFQ = (2)

θ2tan

xyf += (3)

( )θ

θtan

tanxyf

2

1 2−+= (4)

( )θcos

ra

2= (5)

f

a

a

23

� Notando que:


(6)

(7)

(8)

f

a

a

raf =+

( ) ( )

−=−=−=θθ cos

rcos

rrarf

2

11

2

A Eq. 7 mostra que não há um único ponto focal uma vez que f depende do ângulo θ. Para o caso específico onde θ<< 1, fazendo uma expansão em série da função cosseno até o termo de 2ª. ordem:

1 para12

11 2 <<≈−= θθθ ,...cos

rrfrf2

1

2

11

2

112

11

1

2≈

−≈→

−−=

≈43421

θ

Isso mostra que para ângulos ou, de forma equivalente, para espelhos cuja largura é muito menor que o raio r, a localização do ponto focal F é independente do ângulo de incidência. Isso significa que todos os feixes paralelos incidentes em um espelho cilíndrico (com pequenos ângulos) passam através do ponto focal.

24


� Considerando a figura abaixo, a curvatura do espelho pode então ser determinada através de sua flecha, ζ:

22

2 ζζ

+= lr

rinsinrl ψ=r

W

r

s ==ψ

W é a largura do espelho2

ψψ =rin

Considerando o ∆ retângulo CEN

( ) 222222 2 ζζζ +−+=−+= rrlrlr

25


� E onde está a distância focal?

26

� Para o caso de um refletor Fresnel linear hipotético, com H=3 m, 14 espelhos com W=0.30 m e ângulo de incidência solar, ρ, igual a zero, os resultados obtidos pela aplicação dessa metodologia, de forma similar à apresentada por Facão e Oliveira (2009) são apresentados na tabela abaixo. São analisados apenas os espelhos 1 a 7 uma vez que existe uma simetria em relação ao eixo central do coletor.


Espelho θθθθn, °°°° ϕϕϕϕn, °°°° ψψψψrin , °°°° fn, m r n, m ζζζζn, mm

1 1.91 3.81 1.43 3.01 6.02 1.87

2 5.66 11.31 1.40 3.06 6.15 1.83

3 9.22 18.43 1.34 3.16 6.41 1.76

4 12.51 25.02 1.27 3.31 6.79 1.66

5 15.48 30.96 1.18 3.50 7.27 1.55

6 18.13 36.25 1.10 3.72 7.85 1.43

7 20.46 40.91 1.01 3.97 8.51 1.32

27


28


29

Características associadas aos espelhos

� A largura de cada espelho não deve ser tão pequena a ponto de, para uma determinada área de abertura, necessitar uma número muito grande de tiras (aumento da complexidade da estrutura de fixação e do mecanismo de seguimento). E nem tão grande, a ponto de reduzir a efetividade do princípio de operação do espelho do tipo Fresnel e de aumentar as aberrações ópticas. Coletores utilizados atualmente tem 0,5 m de largura.

� Quanto à largura do coletor: não deve ser tão pequena a ponto de diminuir a radiação (potência) direta incidente no absorvedor nem tão grande, pois quanto mais afastados estão os espelhos do absorvedor, menor será sua contribuição além de ser mais sensível aos erros geométricos dos espelhos e no mecanismo de seguimento.

Qualidade geométrica dos espelhos

30


� A distância do tubo absorvedor em relação ao plano dos espelhos também deve ser nem tão alta nem tão baixa. Quanto mais alta, menores as perdas por sombreamento e bloqueio mas menor a contribuição dos espelhos mais afastados.

� Alturas pequenas, maiores perdas por bloqueio e sombreamento.


31


� Análise similar pode ser feita com a folga entre os espelhos. Menores folgas para um dado número de espelhos, menor será a largura do coletor mas maiores serão as perdas por bloqueio e sombreamento e vice-versa.


Obs.: todos os gráficos sobre LEC foram obtidos de Morin, G. ;Platzer, W. ;Eck, M. ;Uhlig, R.; Häberle, A.; Berger, M. e Zarza, E. (2006). Road map towards the demonstration of a linear Fresnel collector using single tube receiver. 13th InternationalSymposium on Concentrated Solar Power and Chemical Energy Technologies, Seville (Spain).

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� Em relação ao eixo de rotação dos espelhos:� A orientação Norte-Sul permite uma produção de energia mais equilibrada durante o dia. É

possível aproveitar a energia logo depois do nascimento do Sol até pouco antes do por do Sol.

� A orientação Leste-Oeste permite uma produção de energia mais equilibrada durante o ano porque os maiores ângulos de incidência no inverno tem um peso menor do que na orientação Norte-Sul.

� Esses resultados são similares aos encontrados para os concentradores de calha parabólica.Para locais situados na “Sun Belt”, isso é, latitudes menores que 40° e não tão próximas ao equador (acima de 15°), a orientação Norte-Sul fornece a maior produção de energia anual.

33Obs.: Simulação para um coletor Fresnel com 3.872 m2, consistindo de 176 módulos com 11 fileiras de coletores

Maior potência pico.

22% a mais

34

� O desempenho ótico de um LFR é limitado em função do ângulo no qual a radiação direta atinge o refletor e também porque os espelhos devem ser orientados para refletir a radiação para o receptor, não estando apontados para o Sol. Essa orientação não-normal em relação aos raios incidentes é a principal perda ótica do LFR. Essas perdas acontecem em relação aos dois planos: transversal (perpendicular ao eixo do coletor) e longitudinal (paralelo ao eixo do coletor).


Projeção longitudinal: perdas final de linha

35


szx cosVsenV γθ=

szy senVsenV γθ=

zz cosVV θ=

(3.12)

== −

z

sz

z

y

cos

sensentan

V

V

θγθρ 1

� Projeção do vetor Terra-Sol no plano transversal aos espelhos:

36


� Parâmetros geométricos de um FRL

37


22

ρϕρϕϕξϕθ −=

−−=−= nn

nnnn

� Ângulo de inclinação dos espelhos:

� A variação do ângulo de inclinação é igual para todos os espelhos, assim pode ser utilizado apenas um motor para movimentar todo conjunto.

38


H

Qtan n

n =ϕ

� A variação do ângulo de inclinação é igual para todos os espelhos, independente da posição do espelho no arranjo. Assim pode ser utilizado apenas um motor para movimentar todo conjunto.

� Como, pelo slide 36:

Derivando em relação ao tempo:

22

1 ρρϕθ−

=−

=−

H

Qtan n

nn

dt

d

dt

H

Qtan

d

dt

d

n

n ρ

ρ

θ2

12

1

=

−

=

−

39


� Simulação de um FRL

40


� Influência da altura do receptor:

Solstício de verão (São Leopoldo), H= 2,0 m e DNI de 900 W/m2.

10

15

20

25

30

35

40

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5

Po

tên

cia

inci

de

nte

no

pla

no

de

ab

ert

ura

do

co

nce

ntr

ad

or

secu

nd

ári

o

(kW

)

Altura do Receptor [m]

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.5

41


� Influência do número de espelhos:

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Po

tên

cia

in

cid

en

te n

o p

lan

o d

e a

be

rtu

ra

do

co

nce

ntr

ad

or

secu

nd

ári

o (

kW

)

Número de espelhos

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.5

Solstício de verão (São Leopoldo), H= 2,0 m e DNI de 900 W/m2.

42

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Po

tên

cia

inci

de

nte

no

pla

no

de

ab

ert

ura

do

co

nce

ntr

ad

or

secu

nd

ári

o (

kW

)

Número de espelhos

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.5

� Para um mesmo “footprint”:


43

Geometria dos receptores

44


45


46

� O desempenho ótico de um LFR varia significativamente ao longo do ano, com o desempenho máximo nos meses de verão. A figura abaixo apresenta um exemplo da variação da eficiência ótica total sobre um ano.


47


� Desenho de uma planta de potência com geração direta de vapor:

Seção de vaporização

Seção de superaquecimento Vaso separador

Bloco de potência

48

Integração planta fotovoltaica com planta termelétrica

1 - Compressor

2 - Câmaras de combustão

3 - Turbina a gás

4 - Gerador elétrico

5 - Bombas de extração de condensado

6 - Pré-aquecedor

7 - Desaerador

8 - Bombas de alimentação das caldeiras

9 - Economizador

10 - Tubulão

11 - Vaporizador

12 - Superaquecedor

13 - Turbina a vapor

14 - Condensador

Planta de ciclo combinado convencional

49

40

45

50

55

60

65

70

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

24/6 25/6 26/6 27/6 28/6 29/6 30/6 1/7

Pot

ênci

a el

étric

a, M

W

Tem

pera

tura

, °C

Temperatura ambiente Potência Elétrica TGG 2A Potência elétrica TGG 2B


Vantagens: a potência máxima gerada pela TGG varia inversamente com a temperatura ambiente.

50


51


Parâmetro A B C

Módulos do campo solar, un. 11 11 12

Módulos da seção de vaporização, un. 8 9 9

Módulos da seção de superaquecimento, un. 3 2 3

Potência nominal do campo solar, MW 3,147 3,147 3,433

Energia elétrica líquida anual, MWh 1.008,16 999,00 1.091,91

Tempo de operação do sistema solar, h 1.913 1.816 1.854

Fator de capacidade, % 12,98 12,97 12,94

Eficiência global de conversão, % 10,01 9,91 9,93

Custo do investimento, 10³ USD 1.129,92 1.129,92 1.232,64

LCOE, USD MW-1h-1 139,24 140,42 140,17

52

0

200

400

600

800

1000

1200

0

1

2

3

4

5

17/12 0:00 17/12 12:00 18/12 0:00 18/12 12:00 19/12 0:00 19/12 12:00 20/12 0:00

Irra

diân

cia,

Wm

-2

Pot

ênci

a, M

W

Potência térmica máxima Configuração C

Configuração A Irradiância direta normal


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� Composto por uma matriz circular de heliostatos (grandes espelhos com sistemas de seguimento do sol) concentram a radiação direta em um receptor central montado no alto de uma torre. Um fluido térmico circula nesse receptor central, absorvendo calor que é utilizado para geração de vapor superaquecido para alimentação de uma turbina.

� Protótipos estão sendo desenvolvidos para utilizar ar ou gás pressurizado em temperaturas superiores a 1.000 °C, usando o fluido diretamente em uma turbina a gás, em substituição ao gás natural (ciclos com eficiência maior que 60%) ou em ciclos combinados.

Concentradores formadores de imagem: torres (ou receptor central)

54


55


56

Custos

� Segundo DOE (2007), o custo nivelado da energia produzida por plantas solares térmicas de concentração encontra-se entre US$ 10 a 12,6 centavos/kWh, representando investimentos na ordem de US$ 2.400 a 3.000/kW.

� A previsão para 2020 é que esses custos possam reduzir para US$ 3,5 a 6,2 centavos/kWh;� Essa redução seria decorrente do desenvolvimento da tecnologia, tamanho da planta e

produção em massa de componentes.

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0 1000 2000 3000 4000 5000

Cumulative Installed Capacity (MWe)

LCO

E 2

002$

/kW

h 1988 30-MW SEGS

1984 14-MW SEGS

Current Potential2004 Technology, 50-MWe

Size

1989 80-MW SEGS

Future Cost Potential2004-2012

Factors Contributing to Cost Reduction- Scale-up 37%- Volume Production 21%- Tech Development 42%

- DOE, Assessment of potential impact of concentrating solar power for electricity generation. DOE/GO-102007-2400, 2007

57

1∈ =1.35 US$

Custos

58

Regiões com elevado potencial para geração de energia com concentração

59

Regiões com elevado potencial para geração de energia com concentração

60

Ciclos de potência utilizadas para geração de energia

61

Perfil da produção de energia elétrica com sistemas solares

62

Comparação em sistemas

63

Capacidades de sistemas de concentração atuais

- Greenpeache, Concentrating solar power, Global outlook 09: why renewable energy is hot, 2009

64

Maturidade das tecnologias para sistemas de concentração

65

Fim !!!

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