Usinas solares

Energia renovável é aquela que vem de recursos naturais que são naturalmente reabastecidos, como sol, vento, chuva, marés e energia geotérmica. Voltando-se na cadeia de transformação de energia, nota-se que a energia do Sol é convertida para formatos conhecidos, como a biomassa (conversão de fótons em glicose através da fotossíntese, com liberação de energia através da queima), a energia hidráulica (evaporação da água, com consequente precipitação), a eólica (geração de ventos devido ao aquecimento diferencial de porções da atmosfera) e a fotovoltaica.

A energia proveniente da luz e do calor do Sol é conhecida como energia solar. Seu aproveitamento costuma ocorrer por meio de diferentes tecnologias, como o aquecimento solar, a fotovoltaica, a energia heliotérmica, a arquitetura solar (utilização combinada de paredes opacas e transparentes, da massa térmica do edifício, da circulação natural do ar, tendo em conta as condições climáticas locais) e a fotossíntese artificial. O aquecimento natural através da energia solar permite evaporar a água das salinas para a extração do sal, destilação e tratamento de água salobra para potável, além de cozinhar, secar e pasteurizar através de fornos solares (recipientes isolados com uma tampa transparente).

Diferentes tecnologias de energia solar: fotovoltaica (centro), Disco parabólico, Torer solar, Refletores lineares de Fresnel e Coletores cilindro-parabólicos (sentido horário, começando da esquerda superior). Fonte: Wikipedia
Diferentes tecnologias de energia solar: fotovoltaica (centro), Disco parabólico, Torre solar, Refletores lineares de Fresnel e Coletores cilindro-parabólicos (sentido horário, começando da esquerda superior). Fonte: Wikipedia

Uma usina solar trabalha com a conversão da luz solar em eletricidade. Ela pode atuar de modo direto, através energia fotovoltaica (PV – sigla em inglês), ou indiretamente, utilizando energia solar concentrada (CSP), também chamada de heliotérmica.

Fotovoltaica

Na geração fotovoltaica, a energia luminosa é convertida diretamente em corrente elétrica usando o efeito fotoelétrico em uma célula solar. O efeito fotovoltaico foi reconhecido pela primeira vez pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel em 1839. A primeira célula solar foi fabricada em 1883 pelo inventor norte-americano Charles Fritts, usando uma amostra de selênio semicondutor com pó de ouro, com eficiência menor do que 1%.

Seu princípio de funcionamento baseia-se em um semicondutor. Ao ser exposto à luz, um fóton arranca um elétron e cria uma lacuna no átomo. Normalmente, o elétron encontra rapidamente outra lacuna para voltar a enchê-lo, dissipando energia na forma de calor. Já em uma célula fotovoltaica, obriga-se os elétrons e as lacunas a avançarem para o lado oposto do material, em lugar de simplesmente recombinar-se nele. Assim, produz-se uma diferença de potencial (tensão) entre as duas partes do material, como ocorre numa pilha.

Nas células de silício, que são as mais utilizadas, existe uma capa superior formada de silício dopado do tipo n (de negativa, por ter mais elétrons livres) e uma capa inferior de silício dopado de tipo p (com menos elétrons livres e as lacunas). No momento da criação da junção pn, os elétrons livres de capa n entram instantaneamente na capa p e se recombinam com as lacunas na região p. É formado um campo elétrico entre as duas, de n para p. Assim, forma-se um diodo, que só permite o fluxo de corrente numa direção.

Os semicondutores de silício dopado surgiram apenas em 1954, desenvolvidos nos Laboratórios Bell. Eles contam com uma conversão da energia solar de aproximadamente 6% e potência de 5 mWp. A unidade de potência energética “Wp” é chamada watt-pico, sendo definida como a potência medida quando o sistema é irradiado por uma luz que simula a luz solar com a potência de 1000 W/m², à temperatura de 25 °C). A eficiência de conversão das células solares é medida pela proporção da radiação solar incidente sobre a superfície da célula que é convertida em energia elétrica.

Posteriormente, a eficiência foi aumentada (atualmente entre 15% e 20%) e o preço, reduzido. A indústria espacial gradualmente optou pelo uso de células solares de arsenieto de gálio (GaAs), devido à sua maior eficiência (28%), mesmo com seus altos custos. Em meados da década de 2000, o poli-silício dominava no mercado de painéis de baixo custo.

Uma célula é a unidade básica desenvolvida para realizar a conversão direta de energia solar em elétrica. O módulo é a unidade formada por um conjunto de células solares, interligadas eletricamente e encapsuladas. Já os painéis são um ou mais módulos fotovoltaicos interligados eletricamente, montados de modo a formar uma única estrutura. Um conjunto de módulos, juntamente com equipamentos complementares (inversores e cabos), forma um sistema fotovoltaico. Uma central solar fotovoltaica conta com diferentes elementos que permitem seu funcionamento, como:

  • painéis fotovoltaicos – captação da radiação solar através de uma associação de células, geralmente encapsuladas em duas capas de EVA (etileno-vinilo-acetato), entre uma lâmina frontal de vidro e uma capa posterior de um polímero termoplástico; as células podem ser de silício monocristalino (azul escuro uniforme), silício policristalino (azul mais intenso e de rendimento inferior) ou de silício amorfo (as menos eficientes, utilizadas em relógios e calculadoras).
  • inversores – transformação da corrente contínua, gerada nos módulos fotovoltaicos dos painéis, em corrente alternada.
  • seguidores solares (opcionais) – movimentam os painéis em um ou dois eixos para seguir o movimento do sol e aumentar a eficiência

Outro tipo de tecnologia é a chamada fotovoltaica de concentração, ou CPV pelas suas siglas em inglês “Concentrated Photovoltaics”, para maximizar a energia solar recebida pela instalação, semelhante a uma heliotérmica. A ideia básica da concentração fotovoltaica é a substituição de material semicondutor por material reflexivo ou refratante, cujo grau de concentração permite que, dada a pequena superfície de célula solar empregada, se pode utilizar a tecnologia mais eficiente (como as células de multi-união, que são mais caras porém mais eficientes). Os CPVs se categorizam de acordo com a quantidade da sua concentração solar, medida em “sóis” (o quadrado da magnificação):

  • baixa concentração – 2 a 200 sóis, usa células de silício convencionais
  • média concentração – 100 a 300 sóis, requerem rastreamento solar de dois eixos e arrefecimento
  • alta concentração – 1000 sóis ou mais, empregam óptica de concentração consistente em refletores de prato ou lentes de Fresnel

Um novo tipo de concentradores é formada de materiais luminescentes ou filmes finos fluorescentes sobre placas transparentes. Eles absorvem a luz solar, que se converte na fluorescente e é guiada às bordas da placa, onde emerge numa forma concentrada. Desse modo, dispensam-se os rastreadores, pois também captam a luz difusa (única fonte em dias nublados).

Outras pesquisas estão desenvolvendo painéis solares transparentes e outros que geram energia a partir da chuva também – veja as matérias clicando nos links.

Heliotérmica ou solar térmica concentrada

Diz-se que Arquimedes de Siracusa conseguiu repelir os romanos que tentaram sitiar a cidade do mar da Sicília, utilizando concentradores solares rudimentares obtidos a partir de escudos de bronze polido. Aqui, a ideia é segue o mesmo princípio, mas deve-se aquecer um fluido, que transforma água liquida em vapor e faz girar uma turbina conectada a um gerador elétrico. Este gerador faz a conversão da energia mecânica, obtida pelo giro da turbina, em elétrica.

Tecnologias de usinas heliotérmicas. Adaptado de Raccurt et al. (2014)
Tecnologias de usinas heliotérmicas. Adaptado de Raccurt et al. (2014)

Nas usinas heliotérmicas (ou solar térmica concentrada ou ainda CSP, do inglês “Concentrating Solar Power”), transforma-se a irradiação solar direta em energia térmica e subsequentemente em energia elétrica. Difere do aquecimento solar porque a luz do Sol é utilizada para aquecer a água de casas e prédios (~80°C), em vez de gerar energia elétrica.

O coletor é uma das principais partes da usina, tendo como função concentrar os raios solares e aquecer o fluido de trabalho (ar ou sal especial), que circula em um receptor. Quanto maior a taxa de concentração (relação entre a abertura do coletor e a área de absorção do receptor), mais altas são as temperaturas do fluido de trabalho. Somente a radiação solar direta é aproveitada, portanto não é possível gerar energia elétrica com o céu nublado. Além disso, o coletor solar deve ser rastreado em um ou dois eixos para acompanhar o movimento do sol. Existem quatro tecnologias comerciais para a concentração:

  • Coletores cilindro-parabólicos – calha de espelhos parabólicos que refletem a luz solar para um receptor tubular (tubo preto com revestimento anti-reflexivo, alta capacidade de absorbância e baixa emitância de irradiação térmica) na linha do foco; tecnologia que chegou no mercado nos anos 1980, pode aquecer o fluido a até 400°C.
  • Disco parabólico – espelho da geometria de disco parabólica concentra os raios solares em um ponto em frente do coletor (tubulação para gerar eletricidade de forma centralizada em um ciclo de potência único ou um motor de Stirling acoplado a um gerador); atinge temperaturas de 700°C a 1.000°C.
  • Torres solares – espelhos lineares (denominados heliostatos) são orientados individualmente para concentrar os raios solares em um ponto no alto da torre, onde se localiza o receptor; atinge temperaturas de 150°C a 2000°C.
  • Refletores lineares de Fresnel – varias fileiras de espelhos planos, dispostos em um eixo, que focam os feixes em o absorvedor (um receptor tubular e um espelho parabólico) fixado acima dos espelhos; fluido atinge temperaturas de 60°C a 450°C.

Os fluidos das heliotérmicas são caracterizados pelo seu valor de condutividade térmica, que quantifica a habilidade dos materiais de conduzir energia térmica. Essa grandeza equivale numericamente à quantidade de calor transmitida por unidade de tempo através de um objeto com espessura unitária, numa direção normal à área da superfície de sua seção reta, também unitária, devido a uma variação de temperatura unitária entre as extremidades longitudinais. Em geral, a condução de energia térmica nos materiais aumenta à medida que a temperatura aumenta. O ar tem condutividade térmica de 0.06 W/mK (na temperatura de 600°C), enquanto que a água tem 0.08 W/mK (a 390°C). No caso da água, são transmitidos 0.08 W através de um objeto para ocorrer uma mudança de 1 K. Usando a definição de Watts, são 0.08 J por segundo para variar em 1°C.

Após a geração de eletricidade, o restante do calor é transferido para um circuito independente de refrigeração, que faz a água voltar ao estado líquido para ser estocada novamente. A possibilidade de armazenar o calor do sol quando a usina não dá conta de transformar todo calor em eletricidade, ou quando o consumo é menor do que a produção, garante a produção de eletricidade, mesmo a noite ou em dias nublados ou chuvosos.

Dentre outros componentes indispensáveis para geração de energia, estão: um bloco de potência para gerar eletricidade, um armazenamento térmico para evitar interrupções e eliminar oscilações e, eventualmente, um boiler para co-combustão à base de combustíveis convencionais. Com relação ao armazenamento, o calor de excesso não entra na turbina, mas aquece um fluido de armazenamento em outro tanque, mantendo a produção durante a noite e dias nublados usando-se tanques grandes. A co-combustão também permite operar de forma contínua através da queima de combustíveis para aumentar a temperatura do fluido. A instalação de componentes heliotérmicos também pode ser feita em usinas térmicas convencionais já existentes, reduzindo o uso de combustível.

Variabilidade

Com o aumento do uso de usinas solares nos sistemas de transmissão e de distribuição, o setor elétrico busca listar os problemas, compreender as causas e encontrar soluções que mitiguem os problemas de intermitência e variabilidade desse tipo de geração elétrica. A variabilidade na geração de energia elétrica está ligada aos ciclos anual e diurno de insolação, devido aos movimentos da Terra ao redor do Sol e de si mesma. Além disso, as condições meteorológicas geram impactos na irradiância em superfície ao atenuar a energia solar incidente. Isso gera problemas como flutuações de tensão, variações de frequência e instabilidade da rede.

De modo geral, variações de potência em um curto intervalo de tempo estão associadas à mudanças na irradiância devido à nebulosidade. Quanto menor a área da usina, maior a importância da escala de tempo. Por exemplo, se uma nuvem cobre um único painel, isso pode ter um impacto diluído no caso de uma planta com muitos painéis. Neste caso, a distribuidora tem mais interesse na informação, para ficar sabendo quanto que os painéis vão entregar de energia na rede.

Variações na irradiância da ordem de segundos movem o modo de operação do conversor de potência (também chamado de inversor) para fora da faixa ideal de eficiência e levam a uma redução na vida útil do sistema fotovoltaico. Flutuações grandes e rápidas na irradiância solar levam a variações condensadas e prolongadas na tensão DC gerada e na potência de saída. Essas variações produzem componentes harmônicos individuais que excedem os padrões IEEE 519 ao se conectarem à rede elétrica.

Em usinas heliotérmicas, o fluido de trabalho possui uma temperatura ideal de trabalho. Rápidas mudanças na irradiância direta terão efeitos não lineares nos fluidos de transferência de calor, criando dificuldades para operar a planta de maneira muito eficiente. Ou seja, as variações intra-dia ganham um peso ainda maior para esse tipo de usina, além das variações inter-dia.

Em qualquer tipo de usina, uma das questões mais desafiadoras para os sistemas de energia AC é a regulação de frequência. A geração e o consumo instantâneos de energia devem corresponder para evitar desvios de frequência em relação ao valor nominal. Os desvios de frequência podem levar a problemas de estabilidade, segurança e qualidade de energia. Tudo isso torna necessário o estabelecimento de três níveis de regulação para fins de controle de frequência: primário, secundário e terciário.

A regulação de frequência primária (PFR) é a primeira resposta de controle em caso de desvio de frequência e atua injetando ou recebendo energia para estabilizar a frequência. Portanto, os geradores de energia devem ter uma reserva de energia para aplicar PFR sempre que a frequência estiver fora de seus limites permitidos. O serviço de PFR é tradicionalmente fornecido por geradores síncronos; no entanto, eles têm as seguintes limitações: (1) uma porcentagem da energia disponível do gerador deve ser reservada, diminuindo a energia que pode ser vendida no mercado à vista; (2) a velocidade de resposta para injetar energia pode ser lenta; e (3) a regulação de frequência é indiretamente realizada através do sistema de regulação de velocidade do gerador e pode causar oscilações de frequência no sistema de energia.

Fontes

  • Wikipedia – Energia solar fotovoltaica
  • Wikipedia – Energia heliotérmica
  • Vignarooban, K., Xua, X., Arvay, A., Hsu, K., Kannan, A.M., “Heat transfer fluids for concentrating solar power systems – A review”. Applied Energy, [s.l.], v. 146, p.383-396, maio 2015. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.01.125.
  • Zhu, W., Zhang, L., Yang, M. and Wang, B., “Solar Power Ramp Event Forewarning With Limited Historical Observations” in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 55, no. 6, pp. 5621-5630, Nov.-Dec. 2019. doi: 10.1109/TIA.2019.2934935.
  • Nelson, J., “Effects of cloud-induced photovoltaic power transients on power system protection”, 2010. Master’s Theses and Project Reports.