Como funciona?

Uma usina heliotérmica é muito parecida com uma usina termoelétrica. A diferença é que, em vez de usar carvão ou gás como combustível, utiliza o calor do Sol para gerar eletricidade. A usina heliotérmica segue um processo dividido basicamente em duas etapas:

1. Concentração de energia térmica por meio de um campo solar;

2. Geração de energia elétrica num processo praticamente convencional.

A grande vantagem da tecnologia heliotérmica é a possibilidade de armazenar energia em forma de calor. Assim, é possível gerar energia elétrica mesmo quando não há sol, em dias nublados ou durante a noite. Além disso, também é possível utilizar a tecnologia heliotérmica em conjunto com outros combustíveis, como a biomassa, o gás natural ou o carvão, para garantir a produção de energia a qualquer momento. 

Campo Solar

O processo heliotérmico tem início com a reflexão dos raios solares diretos utilizando um sistema de espelhos, chamados de coletores ou helióstatos. Esses espelhos acompanham a posição do Sol ao longo do dia e refletem os raios solares para um foco, onde se encontra um receptor. Dessa forma, o calor é transmitido para um líquido, o Fluido Térmico, que se mantém em alta temperatura.

Existem diversos tipos de fluidos que podem servir para transportar o calor do Sol na usina heliotérmica: sais fundidos, óleos térmicos, água e ar – estes são os mais utilizados até hoje.

Curiosidade: o nome do sistema utilizado está ligado ao tipo de tecnologia aplicada. Para Calha Parabólica e Fresnel é chamado de “coletor”; já para Torre, é “helióstato”.

Mecanismos de concentração solar

Existem usinas heliotérmicas de vários tipos; a principal diferença entre elas é o mecanismo de concentração solar.

 

Coletor Cilindro-Parabólico

Espelhos cilindro-parabólicos são utilizados para concentrar a luz solar em tubos receptores posicionados ao longo da linha focal dos espelhos, que são desenhados para seguir a posição do Sol.

Um fluido de transferência circula através desses tubos e é aquecido pelos raios solares até aproximadamente 400°C no caso do óleo térmico ou 450°C no caso de sais fundidos. Esse fluido é bombeado através de uma série de trocadores de calor, de forma a produzir vapor dentro da usina. O vapor é, então, utilizado para movimentar turbinas e gerar eletricidade.


Calha Cilindro-Parabólico


Linear Fresnel

O coletor Fresnel segue um conceito parecido com o do coletor cilindro parabólico, mas com algumas importantes diferenças:

  • A linha focal, onde a energia do Sol é concentrada, não se move, o que torna mais fácil utilizar um fluido sob pressão, já que as conexões não precisam ser flexíveis.
     
  • Água sob pressão (~60 bar / 300°C) pode ser usada diretamente no receptor, não sendo necessário incluir um Trocador de Calor e, portanto, pode-se utilizá-la diretamente no estado de vapor para movimentar a turbina. Outra opção é usar no receptor sais fundidos para chegar a temperaturas mais altas (~450°C). Neste caso, é necessário bombear o fluido através de uma série de trocadores de calor para gerar vapor, que, por sua vez, será utilizado para movimentar turbinas e gerar eletricidade.
     
  • Espelhos planos para coletores Fresnel são mais fáceis de serem produzidos, o que os tornam mais baratos. No entanto, espelhos planos têm mais perdas óticas, apresentando menor eficiência. 

Coletor Linear Fresnel


Torres Solares

A principal característica dessa tecnologia é a presença de uma imensa torre no centro da usina. Um conjunto de espelhos concentra a luz solar num receptor central localizado no alto da torre. O receptor absorve a radiação concentrada pelos helióstatos e a converte em calor, que é conduzido por meio do Fluido Térmico para o gerador de vapor da usina, localizado na base da torre.

O fluido circula na área central da planta. Em contraste com as tecnologias cilindro parabólico ou Fresnel, não há um sistema de tubos no campo solar. Isso permite uma desenho compacto da parte térmica da torre solar.


Discos Parabólicos

Um refletor em formato de disco parabólico concentra a luz solar em um receptor localizado no ponto focal do espelho parabólico, como mostra a imagem abaixo. O feixe de irradiação é absorvido pelo receptor para aquecer um fluido até aproximadamente 750°C. O calor desse fluido é, então, utilizado num motor ou numa microturbina localizada no receptor.

Hoje, esta tecnologia é pouco utilizada, pois ainda é difícil utilizá-la para armazenar energia e, dessa forma, entra em concorrência direta com a energia fotovoltaica, que é mais simples e barata.

Discos Parabólicos

 

Comparação das tecnologias para usinas heliotérmicas:

Nome Foco Arranjo dos Espelhos Grau de concentração Temperatura de operação no foco
Calha Cilindro- Parabólico Linha Fileiras de espelhos linear-parabólicos ≈ 100 vezes ≈ 450 ºC
Coletor Linear Fresnel Linha Fileiras de espelhos linear-planos ≈ 100 vezes ≈ 450 ºC
Disco Parabólico Ponto Unidades de discos de espelhos parabólicos ≥ 1.000 vezes 700 a 1.000 ºC
Torre Solar Ponto Campo de helióstatos de espelhos planos ≥ 1.000 vezes 700 a 1.000 ºC

 

Parte Convencional

Após a concentração dos raios solares e a transmissão do calor para o fluido térmico, a energia térmica é convertida em elétrica: o calor do fluido aquece a água, até que, devido às altas pressão e temperatura, ela se transforme em vapor e seja utilizada para girar uma turbina conectada a um gerador elétrico. Este gerador faz a conversão da energia mecânica, obtida pelo giro da turbina, em elétrica. Por fim, o restante do calor é transferido para um circuito independente de refrigeração, que faz o vapor ser condensado e voltar ao estoque de água.

Este processo é idêntico ao de outras usinas convencionais como as a gás, carvão ou nucleares. A diferença é que, numa usina termoelétrica convencional, o vapor é gerado pela queima de combustíveis fósseis, enquanto numa usina heliotérmica, ele é obtido do calor gerado pela concentração dos raios solares.

 

Fonte:
-Foto: Usinas Heliotérmicas - Plataforma Online de Heliotermia
-Gráficos: Ciclo heliotérmico simplificado sem armazenamento; Calha cilindro-parabólico; Coletor linear Fresnel; Torre solar; Discos parabólicos- DLR - Institut für  Solarforschung