Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Estimativa de Produo em Centrais Solares de ConcentraoAntnio Srgio Ribeiro da Silva

Dissertao realizada no mbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotcnica e de Computadores Major Energia

Orientador: Professor Doutor Cludio Monteiro Julho de 2010

Antnio Srgio Ribeiro da Silva, 2010

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Resumo

Em Portugal haver nos prximos anos, cerca de 30 MW de potncia associados a centrais solares de concentrao. As tecnologias associadas a estas centrais so variadas com caractersticas de produo diferentes. Para a viabilidade destes projectos, sero necessrios servios de avaliao do potencial de produo, caracterstico do local de instalao. Assim, o tema desta dissertao consiste no desenvolvimento de metodologias para estimar a produo elctrica de centrais solares de concentrao, concretamente, centrais Solares Termoelctricas de Concentrao (CSP) e Fotovoltaicas de Concentrao (CPV), sobre as quais feita uma caracterizao pormenorizada. O objectivo primordial assenta na criao de metodologias de caracterizao do potencial elctrico, atravs de diferentes modelos de produo, tais como: paramtrico e de inteligncia artificial. Enquanto que o primeiro descreve o comportamento tpico em dias de cu limpo, o segundo, modeliza os dias de cu nublado. Para que este objectivo fosse exequvel, recorreu-se tambm, utilizao de ferramentas computacionais de simulao termodinmica das centrais CSP, especificamente, o Solar Advisor Model (SAM). A base destes modelos e do SAM requerem, previses meteorolgicas de irradincia, velocidade do vento e temperatura. Os dados de produo de CPV foram, gentilmente, cedidos pela empresa WS Energia e as previses meteorolgicos foram disponibilizadas pela SmartWatt. Este conjunto de dados revelou-se limitado, correspondendo, apenas, ao ms de Janeiro de 2010. Para findar, no que concerne aos resultados deste trabalho de investigao, constatou-se que o modelo paramtrico fornece uma boa resposta para dias de cu limpo. Relativamente, aos modelos baseados em Redes Neuronais Artificiais no foi possvel uma concluso fivel, devido ao reduzido conjunto de treino.

Palavras-chave: Solar Termoelctrico de Concentrao (CSP), Solar Fotovoltaico de Concentrao (CPV), Energia Renovvel, Estimativa de Produo

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Abstract

In the next few years, in Portugal, there will be about 30 MW of installed power associated to concentrated solar power. The existent technologies for this type of energy generation have associated to them different characteristics. For the liability of these projects, there will be a need of accessing the amount of energy capable of being produced, depending of the location of the power plant. Therefore, the subject of this Masters Thesis is about the development of methodologies for estimation the amount of energy produced by electric generating systems using technologies like Concentrated Solar Power (CSP) and Concentrated Photovoltaic (CPV). The primary goal settles in the creation of methodologies of characterization of the electrical potential, by using different models of production, such as: parametric and artificial intelligence (AI). The first one describes the typical behavior in clear sky days and, the second one, cloudy days. In order to make this objective possible, it was used computer simulation tools for thermodynamics in CSP power plants, specifically, the Solar Advisor Model (SAM). The foundation of these models and SAM require radiation, wind speed and temperature forecasts. Production data of CPV power plants were kindly given by WS Energia company and the meteorological forecasts by SmartWatt. The amount of data collected revealed itself limited corresponding only to January of 2010. Finally, concerning the results of this thesis, it became clear that the parametric model achieved good results in clear sky days. On the other hand, models based on Neural Networks couldnt achieve a clear conclusion due to reduced training data available.

Keywords: Concentrated Solar Renewable Energy

Power (CSP), Concentrated Photovoltaics (CPV),

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Agradecimentos

As primeiras palavras desta dissertao so de reconhecimento para com as pessoas que me ajudaram a concretiz-la. Apraz-me nestas primeiras linhas, traduzir as minhas simples e despretensiosas palavras com um agradecimento: Ao Professor Doutor Cludio Monteiro, pelo acompanhamento, orientao, disponibilidade, Amizade e pela contagiante boa disposio, que contriburam imprescindivelmente para o desenvolvimento deste trabalho. SmartWatt, na pessoa do Eng. Tiago Santos, pela sua crucial ajuda no desenvolvimento das metodologias criadas no mbito desta dissertao, bem como na disponibilizao de dados fundamentais para a realizao desta mesma; WS Energia, representada pelo Eng. Joo Wemans e Eng. Filipa Reis, pela cedncia de alguns dados necessrios elaborao desta investigao; Ao Eng. Bruno Coelho, pela ajuda e sugesto de anlise de algumas das tecnologias expostas ao longo deste documento; Ao Antnio, amigo e companheiro de longas horas de estudo, um muito obrigado; Ao Bruno pelo suporte no meu momento de pnico; Ao grupo da sala J102, que partilhou comigo estes ltimos momentos acadmicos, pela interajuda e pelos momentos de descontraco que se viveu; Ao restante grupo de amigos universitrios, que vivenciaram comigo estes ltimos anos, e que de uma forma ou de outra me ajudaram a superar todas as vicissitudes; Aos meus pais, irmo, cunhada e pequena Ins, pela compreenso da minha consciente e inteira ausncia; Aos meus fiis amigos, Joana, Igor e Joo, que no encontro palavras para lhes agradecer.

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Para reduzir o infinito ao finito, O inatingvel ao humanamente real s h um caminho: a concentrao. Thophile Gautier

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ndice

Resumo ............................................................................................ iii Abstract............................................................................................. v Agradecimentos .................................................................................. vii ndice............................................................................................... xi Lista de Figuras ................................................................................. xiii Lista de Tabelas ................................................................................ xvii Abreviaturas e Smbolos ....................................................................... xix Captulo 1 .......................................................................................... 1 Introduo.......................................................................................... 11.1. 1.1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. Enquadramento ................................................................................... 1 Resultados dos Pedidos de Informao Prvia ............................................... 2 Motivao .......................................................................................... 4 Objectivos.......................................................................................... 4 Estrutura da Dissertao ........................................................................ 4 Dados Utilizados na Dissertao ............................................................... 5 Clarificao dos termos usados na Dissertao.............................................. 5

Captulo 2 .......................................................................................... 7 Estado da Arte ..................................................................................... 72.1. 2.2. 2.2.1. 2.2.2. 2.2.3. 2.2.3.1. 2.2.4. 2.2.5. 2.3. 2.3.1. 2.3.2. 2.3.3. 2.3.4. 2.3.4.1. 2.3.5. 2.3.6. 2.3.7. 2.4. A Origem da Concentrao Solar............................................................... 7 Solar Fotovoltaico de Concentrao........................................................... 8 Princpio de Funcionamento e Tipos de ptica ............................................. 9 Tipos de Seguimento ........................................................................... 11 Tipos de Clulas................................................................................. 14 Clulas Multi-Juno ........................................................................... 14 Vantagens e limitaes do CPV............................................................... 17 Normalizao .................................................................................... 17 Solar Termoelctrico de Concentrao ..................................................... 17 Sistemas Lineares do Tipo Fresnel ........................................................... 20 Sistemas Cilindro-Parablico ................................................................. 20 Sistemas de Receptor Central de Torre..................................................... 23 Sistemas de Disco Parablico ................................................................. 24 Ciclo de Stirling ................................................................................. 25 Fluidos de Transferncia de Calor ........................................................... 27 Armazenamento................................................................................. 27 Consumo de gua ............................................................................... 27 Modelos de Estimativa de Produo ......................................................... 28

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2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. 2.4.4. 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.2.

Modelo Paramtrico com Previso de Irradincia Directa ............................... 28 Mtodo Baseado na Norma IEC 61853 (Fotovoltaico)..................................... 29 Interpolao Bilinear........................................................................... 29 Estimativa por Regresso...................................................................... 30 Metodologia do ISFOC .......................................................................... 30 Modelos baseados em Redes Neuronais Artificiais ........................................ 30 Software de Simulao ........................................................................ 31 Concluso ........................................................................................ 32

Captulo 3 .........................................................................................33 Construo dos Modelos de Produo........................................................333.1. 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.3.1. 3.1.3.2. 3.1.3.3. 3.1.4. 3.1.4.1. 3.1.4.2. 3.1.4.3. 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. Solar Fotovoltaico de Concentrao ........................................................ 33 Caracterizao do Sistema CPV - WS Energia.............................................. 33 Caracterizao dos dados Meteorolgicos e de Radiao ............................... 36 Modelo 1 de Produo WS Energia - S4C1 .................................................. 38 Fase 1 Correlao das Variveis ............................................................ 38 Fase 2 Modelo Paramtrico ................................................................. 40 Fase 3 Ajuste dos Parmetros .............................................................. 41 Modelo 2 de Produo WS Energia - S4C2 .................................................. 42 Clculo da Radiao Extraterrestre ......................................................... 43 Determinao do ndice de Nebulosidade .................................................. 45 Rede Neuronal Artificial ....................................................................... 46 Solar Termoelctrico de Concentrao: CSP de Torre ................................... 47 Fase 1 - Dados Meteorolgicos e de Radiao ............................................. 48 Fase 2 - Tecnologia CSP ....................................................................... 49 Fase 3 Valores Horrios de Produo...................................................... 49

Captulo 4 .........................................................................................51 Resultados dos Modelos de Produo ........................................................514.1. 4.1.1. 4.1.2. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. Solar Fotovoltaico de Concentrao ........................................................ 51 Modelo 1 Fase 2 ............................................................................... 52 Modelo 1 Fase 3 ............................................................................... 53 Solar Termoelctrico de Concentrao: CSP de Torre ................................... 55 Fase 1 - Dados Meteorolgicos e de Radiao ............................................. 55 Fase 2 - Tecnologia CSP ....................................................................... 57 Fase 3 Valores Horrios de Produo...................................................... 58

Captulo 5 .........................................................................................63 Concluses e Trabalhos Futuros ..............................................................635.1. 5.2. Concluses ....................................................................................... 63 Trabalhos Futuros .............................................................................. 64

Referncias .......................................................................................67

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Lista de Figuras

Figura 1.1 - Vagas de desenvolvimento da poltica de renovveis em Portugal [3] ................ 1 Figura 1.2 - Produo renovvel e consumo no ano de 2009, Fonte: REN ........................... 2 Figura 2.1 - O ataque dos navios Romanos por concentrao da energia solar [7] ................ 7 Figura 2.2 Capa do primeiro livro de ptica traduzido para Latim [8] ............................. 8 Figura 2.3 A concentrao da energia do sol foi explorada tambm na destilao [8] ......... 8 Figura 2.4 Bomba de gua solar desenhada por Isaac de Caus [8] .................................. 8 Figura 2.5 Concentrao solar tambm foi explorada para accionar mquinas a vapor [8] .... 8 Figura 2.6 Sistema ptico de concentrao, adaptado de [9] ..................................... 10 Figura 2.7 Configurao Fresnel Pontual [10]......................................................... 11 Figura 2.8 Configurao Fresnel Linear [10] .......................................................... 11 Figura 2.9 Configurao Cmara de Fresnel [10] .................................................. 11 Figura 2.10 Sistema CPV, WS Energia [1] .............................................................. 11 Figura 2.11 Seguidor do tipo Pedestal [10] ............................................................ 12 Figura 2.12 Seguidor do tipo Rolo Inclinado [10] .................................................. 12 Figura 2.13 Seguidor do tipo Rolo Inclinado com sistema de concentrao de Fresnel [10] ...................................................................................................... 13 Figura 2.14 Seguidor de eixo de rotao horizontal [10] ........................................... 13 Figura 2.15 Seguidor do tipo mesa giratria [10] .................................................... 13 Figura 2.16 Seguidor de eixo de rotao polar [10].................................................. 13 Figura 2.17 - Concentrador fotovoltaico esttico com clulas bifaciais [2] ....................... 13 Figura 2.18 Evoluo da eficincia das clulas fotovoltaicas [11] ................................ 14 Figura 2.19 Espectro de referncia para radiao extraterrestre, global no plano inclinado e directa [13] .............................................................................. 15

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Figura 2.20 Limites de operao das clulas de silcio (Esquerda) e clulas MJ III-V (Direita), para um espectro AM1.5 [15] ........................................................... 15 Figura 2.21 Variao do rendimento da clula com o factor de concentrao [14] ........... 16 Figura 2.22 Variao do rendimento com a temperatura para um sistema CPV e PV com seguimento a dois eixos [12] ........................................................................ 16 Figura 2.23 Evoluo da normalizao internacional aplicada aos sistemas CPV [17] ......... 17 Figura 2.24 Variao do Custo de produo de elica [19] ......................................... 18 Figura 2.25 Principais zonas para instalao de tecnologias de concentrao ................. 18 Figura 2.26 Resposta dos sistemas, PV e CSP, perante um dia nublado [22] .................... 19 Figura 2.27 Descrio das Tecnologias CSP [21] ...................................................... 20 Figura 2.28 Esquema de funcionamento de um sistema do tipo LFR [24] ....................... 22 Figura 2.29 Central de 5 MWe do tipo LFR, California, USA [24] .................................. 23 Figura 2.30 Seguidor Solar para tecnologia Cilindro-Parablico [26] ............................. 20 Figura 2.31 Esquema de uma central CSP Cilindro Parablico [27] ............................... 21 Figura 2.32 Esquema de funcionamento de uma central CSP de Torre [28]..................... 23 Figura 2.33 Combinao de armazenamento e hibridizao em CSP [30] .................... 24 Figura 2.34 Esquema de um Sistema do Tipo Disco Parablico Stirling [31]................... 25 Figura 2.35 Processos no ciclo termodinmico de Stirling [31]. ................................... 26 Figura 2.36 Energia mensal estimada e produzida pelo sistema EUCLIDES [36] ................ 28 Figura 2.37 Relao entre a Potncia e Irradincia, para vrios valores de temperatura. ... 29 Figura 2.38 Comparao entre valores reais e valores simulados de produo de vapor [40] ...................................................................................................... 31 Figura 2.39 Interface grfica SAM ....................................................................... 31 Figura 3.1 Estrutura do sistema CPV WS Energia [7] ................................................ 34 Figura 3.2 Seguimento em Elevao (direita) e Azimute (esquerda) [7] ......................... 34 Figura 3.3 Disposio dos espelhos reflectores [9]................................................... 34 Figura 3.4 Produo WS, Janeiro de 2010 ............................................................. 35 Figura 3.5 Produo WS para os dias 8 e 28 de Janeiro 2010 ...................................... 35 Figura 3.6 Produo WS para o dia 31 de Janeiro 2010 ............................................. 36 Figura 3.7 Previso da Irradincia Global para Janeiro de 2010 .................................. 37 Figura 3.8 Previso da Temperatura Ambiente para Janeiro 2010................................ 37

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Figura 3.9 Previso da Temperatura Ambiente e Irradincia Global para os dias 27 e 28 de Janeiro de 2010.................................................................................... 38 Figura 3.10 Relao entre a Irradincia Prevista e Produo WS.................................. 38 Figura 3.11 Fluxograma do Modelo 1 ................................................................... 39 Figura 3.12 Relao entre a Previso de Irradincia e Potncia Medida, dia 28 Janeiro ..... 39 Figura 3.13 Relao entre a Previso de Temperatura e Potncia Medida, dia 28 Janeiro... 39 Figura 3.14 Relao entre Potncia Instantnea e Irradincia .................................... 40 Figura 3.15 Curva Sigmide para diferentes valores do parmetro ............................ 41

Figura 3.16 Relao entre a curva de valores medidos e a curva com valores estimados de produo ............................................................................................ 41 Figura 3.17 Fluxograma do Modelo 2 ................................................................... 43 Figura 3.18 Relao entre a Irradincia Prevista e Potncia Medida para dias nublados do ms de Janeiro ........................................................................................ 43 Figura 3.19 Posicionamento do Sol relativamente a superfcies horizontais .................... 44 Figura 3.20 ngulo entre o plano do equador e a direco Sol - Terra. ......................... 45 Figura 3.21 Modelo da RN e Funo de Activao.................................................... 46 Figura 3.22 Central CSP Solar Two (Estados Unidos) ................................................ 47 Figura 3.23 Metodologia de anlise da produo de centrais CSP................................. 47 Figura 3.24 Janela de visualizao SAM ................................................................ 48 Figura 3.25 Metodologia de anlise da tecnologia CSP Torre ...................................... 49 Figura 4.1 Relao entre potncia medida e potncia estimada em funo da irradincia prevista. ................................................................................................ 52 Figura 4.2 Potncia Prevista vs Potncia Estimada .................................................. 53 Figura 4.3 - Relao entre potncia medida e potncia estimada em funo da irradincia prevista ................................................................................................. 54 Figura 4.4 - Potncia Prevista vs Potncia Estimada .................................................. 54 Figura 4.5 Relao entre a Irradincia global e a potncia estimada ............................ 55 Figura 4.6 Valores mdios de temperatura e DNI ao longo de um ano tpico de vora ....... 56 Figura 4.7 Evoluo horria da DNI e Temperatura Ambiente para um dia limpo de Julho .. 56 Figura 4.8 - Evoluo horria da DNI e Temperatura Ambiente para um dia nublado de Dezembro ............................................................................................... 56 Figura 4.9 Distribuio dos heliostatos pelo campo solar ........................................... 57 Figura 4.10 Dados meteorolgicos para os dias em estudo ......................................... 58

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Figura 4.11 Relao entre P_to_rec e P_inc .......................................................... 59 Figura 4.12 Relao entre DNI e Ef_Helios ............................................................ 60 Figura 4.13 Fluxo mximo incidente no receptor cilndrico ........................................ 60 Figura 4.14 Relao entre P_from_rec e P_to_rec................................................... 61 Figura 4.15 Relao entre P_to_rec e F_HTF ......................................................... 61 Figura 4.16 Comparao entre P_to_TES e P_from_rec ............................................ 62 Figura 4.17 Sistema de armazenamento ............................................................... 62

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Lista de Tabelas

Tabela 1.1 - Resultados PIP para CPV [3].................................................................. 3 Tabela 1.2 Resultados PIP para CSP [3] .................................................................. 3 Tabela 2.1 Caractersticas da Central Termoelctrica prevista para Portugal ................. 22 Tabela 2.2 Quadro Resumo das tecnologias CSP.................................................... 26 Tabela 2.3 Potncia medida (W) para vrios nveis de irradincia e temperatura. ............ 29 Tabela 4.1 Optimizao dos Parmetros da Fase 2 do Modelo 1 .................................. 52 Tabela 4.2 - Optimizao dos Parmetros da Fase 3 do Modelo 1 .................................. 53 Tabela 4.3 Resumo das caractersticas do campo de heliostatos ................................. 57 Tabela 4.4 - Propriedades termodinmicas da torre e receptor .................................... 57 Tabela 4.5 Tabela resumo das caractersticas do bloco de potncia ............................. 58 Tabela 4.6 - Tabela resumo das caractersticas do sistema de armazenamento ................. 58

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Abreviaturas e Smbolos

Lista de abreviaturas AC ANN CPC CPV CSP DC DISS DNI GMT HCPV HTF ISFOC IV LCOE LFR MJ NREL PIP PV REN SAM STC TES Alternate Current Artificial Neuronal Network Compound Parabolic Concentrator Concentrated Phovoltaics Concentrated Solar Power Direct Current Direct Solar Steam Direct Normal Irradiance Greenwich Mean Time High Concentration Photovoltaics Heat Transfer Fluid Instituto de Sistemas Fotovoltaicos de Concentracin (Espanha) Curva Corrente/Tenso do PV Levelized Cost of Energy Linear Fresnel Reflector Clulas Fotovoltaicas Multi-Juno National Renewable Energy Laboratory (USA) Pedidos de Informao Prvia Solar Fotovoltaico Redes Energticas Nacionais Solar Advisor Model (Software - NREL) Standard Test Conditions Thermal Energy Storage

Lista de smbolos AM1.5 G m m3 MW Massa de Ar Irradincia Global no plano horizontal (W/m2) Metro Metro cbico 106 W (Potncia)

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MWh C rad Tc We Wp Wt m2

MegaWatt hora Grau Celsius (Temperatura) Radianos Temperatura da Clula (C) Watt Elctrico (Potncia) Watt pico (Potncia) Watt Trmico (Potncia) Quilmetro Quadrado 10-6 m

xx

Captulo 1 IntroduoNo captulo subsequente apresentado o enquadramento do tema e a motivao subjacente sua elaborao. So tambm enumerados os objectivos sendo, por fim, exposta uma breve explicao acerca da estrutura do trabalho e dos dados utilizados.

1.1. EnquadramentoA intensificao e diversificao do aproveitamento das fontes renovveis de energia para a produo de electricidade, teve especial enfoque na energia elica e no potencial hdrico ainda por explorar, sendo necessrio, estender agora esse esforo energia solar (Figura 1.1), para a qual Portugal tem excelentes condies de aproveitamento e que regista uma fase de grande evoluo tecnolgica a nvel mundial.

Figura 1.1 - Vagas de desenvolvimento da poltica de renovveis em Portugal [3]

A integrao de fontes de energia solar, ser de extrema importncia, uma vez que complementar a produo de energia proveniente da hdrica e elica. A Figura 1.2 representa os valores suavizados, mensalmente, de produo e consumo em Portugal no ano de 2009. Enquanto que a produo de energia a partir de centrais hdricas e elicas, maior

2 Introduo

nos meses de Inverno, nas centrais fotovoltaicas, verifica-se o contrrio, a sua produo maior nos meses de Vero.

Figura 1.2 - Produo renovvel e consumo no ano de 2009, Fonte: REN

Neste contexto, os projectos de carcter experimental e de reconhecida valia tecnolgica nas reas do solar termoelctrico e fotovoltaico de concentrao, com um objectivo de demonstrao do conceito, devero constituir excepes suspenso de apresentao de PIP [4]. Face a este fim, e tratando-se de projectos com uma forte componente de investigao e desenvolvimento, torna -se necessrio prever alguns requisitos especficos e regras adaptadas a este tipo de iniciativas, quer no mbito das condies de acesso, quer no mbito dos critrios de seleco a aplicar em caso de pluralidades de pedidos. Nos termos do n. 12 do artigo 10. do Decreto-lei n. 312/2001, de 10 de Dezembro, dse a conhecer que so aceites pedidos de informao prvia, apresentados no perodo que decorre de 1 a 15 de Setembro de 2009, para projectos de inovao e demonstrao de conceito na tecnologia de solar fotovoltaico de concentrao e na tecnologia de solar termoelctrico de concentrao, desde que cumpram os seguintes requisitos especficos: A potncia de cada projecto no poder ser superior a: 1 MW, Utilizando a tecnologia solar fotovoltaica de concentrao; 1.5 MW recorrendo tecnologia solar termoelctrica de concentrao: Motores Stirling; 4 MW para as restantes tecnologias [5].

1.1.1. Resultados dos Pedidos de Informao PrviaEm Portugal, a aposta futura passa por instalar tecnologias de concentrao, tanto CPV como CSP. No entanto, sendo tecnologias que dependem, fortemente, da radiao directa, estas instalaes so apenas viveis no sul do pas. Neste sentido, foram publicados os resultados provisrios no mbito dos pedidos de informao prvia. Dos 87 PIP apresentados, 65 foram aceites, sendo apenas seleccionados 15, distribudos da seguinte forma:

2

Enquadramento 3

Solar Fotovoltaico de ConcentraoPromotor Reciclamas, SA SAPEC Qumica, SA Tecneira Tecnologias Energticas, SA LUZ.ON Solar Energy, SA Glintt Global Intelligent Tecnhnologies Localizao Tavira Sapec Bay Alqueva LUZ.ON vora (MW) 1 1 1 1 1 Tecnologia SOLFOCUS MAGPOWER OPEL CONCENTRIX + AMORIM EMCORE

Tabela 1.1 - Resultados PIP para CPV [3]

Solar Termoelctrico de ConcentraoPromotor Ramada Holdings, SGPS Hyperion Energy Portugal Selfenergy Bragalux Promotor Efacec Abengoa/Fomentinvest Promotor Energena SLU Martifer Energia Promotor Dalkia Tom CSP Stirling Quinta Solar Alentec Solar Stirling I Central Solar Trmica de Odelouca Central Termoelctrica de Alcanizes CSP Torre Central de Concentrao Solar de torre - SolMass Central Solar Trmica de Moura CSP Cilndrico-Parablico Solar Termoelctrica de vora Instalao Solar Trmica Concentrada de vora CSP Fresnel Linear Central de Concentrao Solar Trmica de Faro Moura Fresnel (CSP) Tabela 1.2 Resultados PIP para CSP [3] (MW) 1,5 1,5 1 1,5 (MW) 4 4 (MW) 4 4 (MW) 4 4

Estes projectos alm de permitirem o desenvolvimento das tecnologias de concentrao em Portugal, so uma oportunidade de inovao para o sector industrial. Por um lado, as indstrias metalomecnica, de moldes e de vidro, por outro lado as empresas de servios de engenharia de projecto e de electrnica de controlo. Potencial para a produo de componentes, tais como: A produo de heliostatos; A produo de sistemas primrios de concentrao linear, parablicos ou planos; Toda a metalomecnica associada aos sistemas de suporte destes reflectores A produo de receptores para sistemas de concentrao linear ou pontual; A produo de subsistemas de armazenamento; A produo de software e hardware de controlo e manuteno destas centrais trmicas.

4 Introduo

1.2. Motivao"Desenvolvemos a energia elica, a hdrica, agora a hora da energia solar. Temos que dar um impulso ao desenvolvimento de projectos de produo de energia solar. Vamos abrir de 1 a 15 de Setembro, por intermdio da Direco Geral de Energia, o chamado perodo PIP para projectos de produo de energia com base no fotovoltaico ou no solar trmico de concentrao. At ao final do ano estar o trabalho pronto para que esse concurso de projectos possa ser submetido para apreciao. Sero projectos, no mbito deste PIP, de menor dimenso, com pequenos nveis de produo, mas sero projectos-piloto e de demonstrao que permitam explorar as solues tecnolgicas que tm vindo a surgir no domnio da produo de energia solar. Este PIP vai permitir conhecer um conjunto significativo de projectos e de solues piloto para que possam ser submetidos e implementados j no prximo ano. [6]. Assim, sendo Portugal um dos pases europeus com maior recurso solar, a utilizao das tecnologias CSP e CPV para a produo elctrica apresentam um enorme potencial de aplicao, tal como foi reconhecido pela Direco Geral de Energia e Geologia, autorizando a construo de instalaes de demonstrao das diferentes tecnologias. Sendo tecnologias de demonstrao, h um enorme risco na definio de potncia e de energia produzida, assim, as entidades bancrias necessitam de garantias de produo, no s para cobrir este risco, mas tambm para assegurar o financiamento destes projectos. Face ao exposto, a principal motivao para a realizao desta dissertao assenta na estimativa de produo de centrais CPV e CSP.

1.3. ObjectivosNa realizao desta dissertao, estabelece-se como objectivo principal, a estimativa de produo de centrais CSP e CPV. Como objectivos intermdios, destacam-se os que seguidamente se apresentam: Explorar o funcionamento das centrais CSP e CPV; Analisar a viabilidade geogrfica para a instalao das referidas centrais; Identificar os tipos de metodologias existentes na actualidade; Desenvolver ferramentas de simulao de produo de centrais CPV a partir de previses de radiao global e temperatura; Explorar as ferramentas computacionais de simulao de centrais CSP; Tratar os dados colhidos para obteno de resultados.

1.4. Estrutura da DissertaoEsta dissertao encontra-se dividida em cinco captulos. Neste captulo introdutrio feito o enquadramento, so apresentados os objectivos gerais e expressa a motivao para a elaborao deste trabalho de investigao. O segundo captulo reporta-se, essencialmente, ao estado da arte relativo aos sistemas CPV e CSP e s diferentes tecnologias de produo de electricidade destas centrais. Por fim, sero apresentadas as normas internacionais e modelos de estimativa de produo. No captulo 3 ser descrita a metodologia encontrada para alcanar os objectivos inicialmente propostos.

4

Enquadramento 5

Os resultados obtidos com base no tratamento de dados efectuado sero ostentados no quarto captulo. Finalmente, no quinto e ltimo captulo, abordar-se- as concluses e sugestes de trabalhos futuros.

1.5. Dados Utilizados na DissertaoAo longo da dissertao foi utilizado um conjunto de dados essenciais, designadamente: Dados de previses meteorolgicas: irradincia global horizontal e temperatura, fornecidos pelo Professor Alfredo Rocha da Universidade de Aveiro e Investigador do Centro de Estudo de Cu e Mar (CESAM), por intermdio da Empresa SmartWatt. Os valores de previso da irradincia global sobre superfcie horizontal e temperatura ambiente foram fornecidos sob a forma de sries temporais, em intervalos de 15 minutos para todas as horas do dia, para o ms de Janeiro de 2010. O modelo utilizado efectua previses quatro vezes por dia para um horizonte temporal mximo de 72 horas (trs dias). Dados de produo CPV: cedidos pela WS Energia, correspondem potncia instantnea medida em Janeiro de 2010, em intervalos de 15 minutos, para uma central de 2580 Wp, localizada perto de Vila Franca de Xira.

1.6. Clarificao dos termos usados na DissertaoO termo irradincia solar significa potncia solar incidente numa superfcie por unidade de rea. A irradincia global consiste na soma da componente directa e difusa. A componente directa representa os raios solares incidentes na superfcie terrestre directamente a partir do Sol. A componente difusa da irradincia global, representa a irradincia procedente de todo o cu visvel.

6 Introduo

6

Captulo 2 Estado da ArteNo presente captulo, apresentar-se- uma breve abordagem da origem da concentrao solar, de seguida e em detalhe, so expostas as diferentes tecnologias de produo de electricidade via concentrao solar, fotovoltaicas de concentrao ou termoelctricas de concentrao. Posteriormente, dar-se- especial ateno normalizao internacional que define os modos de operao das referidas tecnologias. Finalmente, fazer-se- uma referncia aos modelos de estimativa de produo, utilizados pelos mais importantes centros de investigao.

2.1. A Origem da Concentrao SolarO conceito de concentrao de energia foi introduzido pela primeira vez pelos antigos Gregos. Alguns historiadores acreditam que Archimedes usou espelhos, concentrando a energia solar, para atacar os navios Romanos (Figura 2.1).

Figura 2.1 - O ataque dos navios Romanos por concentrao da energia solar [7]

Por sua vez, os antigos Romanos e Chineses utilizaram os espelhos como a mais eficiente maneira de foguear. Assim, empregavam-nos para preparar as refeies, tornando o almoo a refeio mais importante, pois necessitavam da energia do sol para cozinhar. O conhecimento da ptica reacendeu na Europa durante o sculo XIII. A Figura 2.2 serviu de frontispcio para o primeira traduo em Latim Medieval de livros de ptica, onde muitos sonhavam usar o sol como a ltima arma.

8 Estado da Arte

Figura 2.2 Capa do primeiro livro de ptica traduzido para Latim [8]

Figura 2.3 A concentrao da energia do sol foi explorada tambm na destilao [8]

Embora a tcnica de Archimedes no esteja provada, os concentradores eram utilizados para outros fins, como por exemplo, destilao de perfumes como ilustra a Figura 2.3, soldadura e bombagem. A Figura 2.4 demonstra a bomba de gua solar, projectada em 1959 por Isaac de Caus, constituda por espelhos convexos que concentravam energia solar suficiente para alimenta-la. .

Figura 2.4 Bomba de gua solar desenhada por Isaac de Caus [8]

Figura 2.5 Concentrao solar tambm foi explorada para accionar mquinas a vapor [8]

A concentrao solar para accionar mquinas a vapor, foi investigada pelo matemtico e fsico francs, Augustin Mouchot, Figura 2.5.

2.2. Solar Fotovoltaico de ConcentraoAs clulas fotovoltaicas operam com maior eficincia com nveis elevados de insolao, os CPV exploram este facto, utilizando espelhos ou lentes para concentrar a radiao solar de uma grande rea, numa rea mais reduzida de clulas de silcio poli ou monocristalino.

8

Solar Fotovoltaico de Concentrao 9

O objectivo reduzir o preo da produo da electricidade destes sistemas ao substituir a rea de clulas ou de mdulos fotovoltaicos, em geral de valor econmico elevado, por pticas de concentrao de menor custo [9]. Os referidos sistemas, podem atingir eficincias superiores a 25 % na produo de electricidade, a partir de energia solar e valores na ordem dos 75 % de eficincia global, se tiver em conta o aproveitamento da energia trmica dissipada nas clulas. Ao contrrio dos sistemas fotovoltaicos ditos convencionais, os CPV, funcionam tipicamente com a irradincia directa, e por conseguinte, so particularmente indicados para zonas do globo onde a intensidade mdia da irradincia solar directa (DNI) seja elevada. Portugal, em particular o Sul do Pas, est entre as zonas de maior interesse a nvel mundial para a utilizao desta tecnologia. Os CPV so constitudos pelas seguintes estruturas: Mdulo, contempla a estrutura de suporte, as lentes de concentrao, as clulas fotovoltaicas e em alguns casos o sistema de refrigerao. Seguidor, responsvel por orientar o mdulo em Azimute ou Elevao, sendo constitudo por uma fundao macia, pedestal e actuadores hidrulicos. Sistema Hidrulico, aplica presso hidrulica aos actuadores do seguidor, permitindo que o mdulo aponte sempre para o sol. Sistema de Controlo, monitoriza os sensores do sistema e calcula o movimento necessrio para o correcto seguimento do sol. Pode tambm colocar o sistema em efeito bandeira (wind stow), ou em posio de manuteno. De referir ainda, que existem dois tipos de mtodos para o seguimento do sol, os sistemas de controlo baseados na deteco directa, por sensores da posio solar, e os sistemas de posicionamento baseados em equaes astronmicas; Bloco DC/AC, responsvel por converter a corrente DC em corrente AC, para interface com a rede elctrica, formado pelo inversor e elementos de proteco.

2.2.1. Princpio de Funcionamento e Tipos de pticaUm dos notveis teoremas de ptica anidlica, tambm designada por ptica no formadora de imagem (nonimaging optics), define que h uma relao entre o ngulo mximo de entrada do concentrador e o mximo factor de concentrao. Atente-se na Figura 2.6, a radiao que incide na rea de abertura, ngulo de aceitao inferior a , transmitida para a rea do receptor esto colocadas as clulas fotovoltaicas, com um ngulo de sada inferior a . , com um onde

Assim define-se concentrao C, como o quociente entre a rea de abertura radiao solar e a rea do receptor, expressa em vezes (x) ou sois. Para um sistema tridimensional, ou de seguimento de duplo eixo, a relao vem [10]:(2.1)

Se o receptor estiver num meio com ndice de refraco n, a relao :(2.2)

Para uma dada ptica, a concentrao mxima que se pode obter est relacionada com o semi-ngulo de sada, , que ser tanto maior quanto possvel. O valor mximo que

10 Estado da Arte

teoricamente pode tomar 90, neste caso a concentrao mxima, tridimensional, resulta:

, para um sistema

(2.3)

Da equao anterior, conclui-se que pode aumentar-se a concentrao utilizando meios pticos com altos ndices de refraco. Da mesma forma, ngulos de aceitao pequenos conduzem ao aumento do factor de concentrao, contudo, esta soluo requer um seguimento solar muito preciso. Por fim, retira-se que a concentrao mxima que passvel alcanar, tendo em vista o ngulo mnimo de aceitao para a geometria Sol-Terra (1/4) e um ndice de refraco elevado, de cerca de 300000x.

Figura 2.6 Sistema ptico de concentrao, adaptado de [9]

As pticas podem ser classificadas em trs categorias, de acordo com o factor de concentrao [11]: Baixa concentrao, tipicamente, at concentraes de 3x, sendo neste caso, utilizados mdulos idnticos aos usados nos sistemas fotovoltaicos ditos convencionais; Mdia concentrao, valores compreendidos entre 3x e 100x; Muito alta concentrao (High Concentration Photovoltaics - HCPV), normalmente, superior a 400x, em conjunto com clulas fotovoltaicas de alta eficincia, semelhantes s que se empregam na tecnologia espacial. A maioria dos concentradores requerem para o seu funcionamento sistemas de refraco por lentes, no entanto, h outras abordagens no sentido da reflexo por espelhos. No caso da refraco, as lentes mais utilizadas so Lentes de Fresnel, estas podem ser de: Concentrao pontual (Figura 2.7), neste caso apresentam simetria circular em torno do seu eixo, sendo geralmente usada uma clula fotovoltaica por cada lente; Concentrao linear (Figura 2.8), a lenta adopta uma geometria tipicamente rectangular. As clulas individuais so substitudas por um vector de clulas. A Cmara de Fresnel (Figura 2.9), um caso particular da configurao linear, uma vez que confere maior rigidez lente, e minimiza a disperso da luz solar.

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Solar Fotovoltaico de Concentrao 11

Figura 2.7 Configurao Fresnel Pontual [10]

Figura 2.8 Configurao Fresnel Linear [10]

Figura 2.9 Configurao Cmara de Fresnel [10]

O material de fabrico destas lentes na generalidade o PMM (Poli Metil Metacrilato), pela sua leveza e resistncia atmosfrica, embora, seja tambm utilizado o vidro, dado que tem maior durabilidade [9]. As lentes de Fresnel podem conter um sistema ptico secundrio, responsvel por homogeneizar a luz solar incidente na clula. No que respeita s pticas de reflexo, usam-se espelhos reflectores, essencialmente parablicos. Uma superfcie parablica reflectora, ir concentrar toda radiao incidente para um ponto localizado no foco da parbola. De mencionar que existem estudos que destacam a concentrao pontual ou linear [9]. Assim, se pontual, a lente formada pela rotao da parbola em torno do seu eixo, criando um parabolide de revoluo; se linear, a configurao surge atravs da reproduo da parbola paralelamente ao seu eixo. De entre os espelhos reflectores no parablicos, sobressai o sistema desenvolvido e comercializado em Portugal, trata-se de um produto de baixa concentrao que utiliza espelhos planos, que direccionam a radiao sobre mdulos fotovoltaicosFigura 2.10 Sistema CPV, WS Energia [1]

convencionais (Figura 2.10).

2.2.2. Tipos de SeguimentoOs sistemas de concentrao podem ser estacionrios, neste caso a expresso da concentrao mxima acima referida, descrita da seguinte forma [10]:

12 Estado da Arte

(2.4)

A concentrao, nestes casos, estar limitada a valores relativamente baixos, cerca de 3x a 4x. Para concentraes maiores, torna-se necessrio o seguimento do movimento aparente do Sol. No caso de concentraes elevadas, tipicamente acima de 500x, como as que so hoje praticadas nos grandes sistemas comerciais, torna-se imprescindvel ter um sistema de seguimento com alto grau de preciso. Por um lado, os sistemas de concentrao pontual, necessitam de um seguimento a dois eixos, tanto em Azimute como em Elevao, de modo que o foco seja sempre apontado para o sol. Por outro lado, para os sistemas de concentrao linear, o seguimento a um eixo suficiente. Efectivamente, para este tipo de sistemas de alta concentrao com clulas de pequena dimenso, como as j referidas, qualquer falha no sistema de seguimento significa, quer perda de potncia quer um grande aumento da intensidade de radiao em zonas sensveis da estrutura do sistema, que podero danific-las devido s elevadas temperaturas que pontualmente podem atingir [9]. No que concerne aos tipos de seguidores de dois eixos, distinguem-se trs classes [10]: Seguidor do tipo pedestal (Figura 2.11), composto por um pedestal central que suporta a estrutura metlica, bem como por um sistema de controlo do movimento ao longo do eixo vertical (Azimute) e do eixo horizontal (Elevao). A principal vantagem prende-se com a facilidade de instalao, no entanto, a grande resistncia ao vento, figura como a principal desvantagem.

Figura 2.11 Seguidor do tipo Pedestal [10]

Figura 2.12 Seguidor do tipo Rolo Inclinado [10]

Estrutura do tipo rolo (Figura 2.12), instalada ao nvel do solo com o eixo orientado de Norte para Sul, de modo a minimizar o sombreamento pelos mdulos adjacentes, vem corrigir o principal inconveniente do seguidor do tipo pedestal, uma vez que a grande resistncia ao vento consideravelmente reduzida, contudo, esta soluo requer um aumento dos dispositivos de rotao e suporte dos mdulos. A Figura 2.13 demonstra uma configurao idntica que utiliza concentradores de Fresnel, dispostos perpendicularmente ao eixo principal.

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Solar Fotovoltaico de Concentrao 13

Figura 2.13 Seguidor do tipo Rolo Inclinado com sistema de concentrao de Fresnel [10]

Figura 2.15 Seguidor do tipo mesa giratria [10]

Figura 2.14 Seguidor de eixo de rotao horizontal [10]

Figura 2.16 Seguidor de eixo de rotao polar [10]

Por fim, a configurao em mesa giratria (Figura 2.15), apesar de oferece a menor resistncia ao vento dos trs tipos apresentados, a soluo de instalao mais complexa. Os seguidores solares de um eixo, podem ser agrupados em duas classes: Eixo de rotao horizontal (Figura 2.14), preferencialmente utilizados como suporte para concentradores do tipo cilindro parablicos; Eixo de rotao polar (Figura 2.16), traduz-se num maior fornecimento de energia produzida, comparativamente ao eixo de rotao horizontal. A tcnica de concentrao pode tambm ser explorada com concentradores estticos. Neste sentido, foram desenvolvidos alguns projectos que podem atingir concentraes entre das 2x a 12x, so constitudos por pticas no formadoras de imagem do tipo CPC (Compound Parabolic Concentrator), Figura 2.17, e tm a particularidade de possurem clulas fotovoltaicas bifaciais, isto , so sensveis radiao solar em ambas as superfcies. Contudo, apesar de esta tcnica eliminar a necessidade de seguimento, no foi encontrada o design ideal da clula para Figura 2.17 - Concentrador fotovoltaico esttico com justificar a comercializao em larga escala. clulas bifaciais [2]

14 Estado da Arte

2.2.3. Tipos de ClulasEm sistemas de baixa concentrao podem utilizar-se clulas ou mdulos das tecnologias de silcio cristalino ou mesmo de pelculas finas. Nos sistemas de alta concentrao usam-se, em geral, clulas de alta eficincia, capazes de suportar, no s os fluxos elevados de radiao incidente mas tambm as elevadas temperaturas envolvidas [9]. A eficincia das clulas fotovoltaicas tem crescido nos ltimos anos, a uma taxa de 0.5% a 1% ao ano [11]. O recorde registado em laboratrio cifra-se em 42.4% [12], superando os 41.6% conseguidos pelo laboratrio Spectrobal em parceria com o grupo Boing. O instituto norte-americano, NREL, tem feito um notvel trabalho no campo da eficincia, publica periodicamente, o registo que compara a eficincia dos diversos tipos de clulas fotovoltaicas (Figura 2.18).

Figura 2.18 Evoluo da eficincia das clulas fotovoltaicas [11]

Na Figura 2.18 nota-se uma ligeira saturao na curva de evoluo das tecnologias de silcio cristalino e pelculas finas (curvas verde e azul), observando-se ainda, uma tendncia crescente da eficincia das clulas de concentrao nos ltimos 20 anos.

2.2.3.1.

Clulas Multi-Juno

Uma forma promissora para atingir uma melhor eficincia de converso da energia solar o aproveitamento de todo o espectro da radiao incidente. Os espectros de referncia so definidos para diferentes valores de massa de ar (AM Air Mass), que indicam o espao percorrido pela radiao solar, atravs da atmosfera, por exemplo, AM1.5 um espectro obtido depois de esta ter percorrido 1,5 vezes a espessura da atmosfera [13]. O espectro de referncia em vigor para avaliao de mdulos fotovoltaicos

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Solar Fotovoltaico de Concentrao 15

(PV) descrito na norma ASTM G173-03 (Figura 2.19), para a radiao extraterrestre, irradincia global num plano inclinado a 37 e para radincia directa normal (DNI)

Figura 2.19 Espectro de referncia para radiao extraterrestre, global no plano inclinado e directa [13]

As tecnologias de silcio cristalino convertem uma zona limitada do espectro solar, estas limitaes fundamentais da Fsica, condicionam o rendimento desta tecnologia. Assim, os valores mximos conseguidos em laboratrio so de 20% e 24.7% para silcio policristalino e monocristalino, respectivamente [12]. Outros materiais semicondutores, mais caros e mais raros, alcanam rendimentos superiores, como por exemplo o GaAs (Arseneto de Glio) com 28% de eficincia, inicialmente, desenvolvido para aplicaes espaciais. Neste sentido tornou-se, claramente, necessrio o desenvolvimento de tcnicas com novos materiais que operem numa zona mais alargada do espectro solar. Seguindo esta linha de ideias, um mtodo para o conseguir a combinao de clulas compostas com diferentes materiais semicondutores, criando assim, uma clula multi-juno (MJ), vulgarmente designada por clula MJ III-V. Como o nome indica, so produzidas a partir de elementos dos grupos III e V da Tabela Peridica, tais como, como Glio, ndio, Fsforo e Arsnio. O elevado poder de absoro de luz que os caracteriza, suficiente para que apenas uns pequenos adicional se traduzam num ganho em eficincia [14]. de camada de material

Figura 2.20 Limites de operao das clulas de silcio (Esquerda) e clulas MJ III-V (Direita), para um espectro AM1.5 [15]

Por exemplo, numa clula de tripla juno, a clula superior converte a radiao azulvioleta, a intermdia a radiao verde-amarelo e a camada inferior a radiao infravermelha. A Figura 2.20, demonstra a vantagem em relao s clulas de silcio, sendo

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notrio os limites de converso deste semicondutor, no s no que toca s perdas de converso, como tambm s perdas trmicas. A eficincia das clulas MJ III-V disponveis no mercado rondam os 35% a 39%, dependendo do fabricante, contudo a adio de uma nova juno implica uma melhor diviso do espectro solar e uma menor densidade de corrente, assim, as perdas resistivas sero inferiores. Posto isto, estima-se que nos prximos anos a eficincia atinja os 50% [14] Tal como no sistema fotovoltaico, as clulas com recorde de eficincia no esto disponveis no mercado. Porm, uma vez que as clulas MJ III-V so relativamente pequenas (1cm x 1cm), a diferena de eficincia das comercializadas com as testadas em laboratrio pequena, sensivelmente 2%. Estas clulas MJ s so economicamente competitivas, quando usadas sobre concentraes da radiao solar elevadas. A Figura 2.21 ilustra a relao entre a eficincia de uma clula MJ III-V, do fabricante Emcore, e o factor de concentrao. Esta constituda pelas camadas, InGaP/InGaAs/Ge sobre um substrato de Germnio.

Figura 2.21 Variao do rendimento da clula com o factor de concentrao [14]

De ressalvar, que a diferena de eficincia de aproximadamente 1 ponto percentual para concentraes na gama de 100x a 1000x. Pela Figura 2.21 verifica-se que factores de concentrao acima de 400x no justificam o uso de clula MJ III-V.Rendimento CPV Rendimento PV tracker Temperatura Ambiente

0.3 0.25

40 35 30

0.2 0.15 0.1 0.05 0

25 20 15 10

50

Figura 2.22 Variao do rendimento com a temperatura para um sistema CPV e PV com seguimento a dois eixos [12]

No que respeita, influncia da temperatura (Figura 2.22), as clulas MJ apresentam um melhor desempenho comparativamente s clulas de silcio, sendo o coeficiente de temperatura tpico para as clulas supracitadas de 0.2%/C.

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Temperatura (C)

Rendimento

Solar Fotovoltaico de Concentrao 17

2.2.4. Vantagens e limitaes do CPVTal como foi descrito, o aumento de eficincia figura como a principal vantagem do sistema CPV, todavia, estes sistemas primam tambm pela rapidez e facilidade de montagem [2]. Um dos inconvenientes o sistema de seguimento solar, apesar do principal entrave ser a dependncia da irradincia directa, razo pela qual, apenas algumas zonas do globo so economicamente viveis para a instalao destas tecnologias. Ao contrrio dos sistemas fotovoltaicos convencionais, o CPV no pode ser montado nos telhados, devido ao seu peso excessivo. Neste sentido, a aposta passa por desenvolver os concentradores estticos, ou mesmo difusos, ou ento, o estabelecimento de grandes centrais CPV. Actualmente as clulas MJ so muito caras e o objectivo primordial dos institutos e empresas centra-se nos limites da eficincia e no na diminuio do custo.

2.2.5. NormalizaoA tendncia crescente das tecnologias CPV no mercado de energia, consequncia do grande investimento realizado pela indstria fotovoltaica, s ter sucesso com a criao simultnea de normas que atestam a fiabilidade e durabilidade dos fabricados [16]. No entanto, ainda no existe um padro de segurana claro, em vez disso, existem procedimentos e planos de teste, desenvolvidos para atender os requisitos regulamentares (Figura 2.23).

Figura 2.23 Evoluo da normalizao internacional aplicada aos sistemas CPV [17]

Os supramencionados procedimentos e planos de teste so os seguintes: Norma IEEE 1513, estandardiza o receptor e mdulos fotovoltaicos; Norma IEC 62108: Concentrator PV receivers and modules - Design qualification and type approval. Ainda se encontra em progresso, como tal no foi aprovada nem publicada.

2.3. Solar Termoelctrico de ConcentraoAs Centrais Solares Trmicas, igualmente designadas por CSP, produzem electricidade do mesmo modo que as centrais trmicas convencionais. A diferena prende-se com a energia primria, as centrais CSP obtm esta energia, concentrando a radiao solar, convertendo-a

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em vapor ou gs a elevadas temperaturas, que posteriormente, acciona uma turbina acoplada a um gerador elctrico [18]. O solar termoelctrico uma tecnologia relativamente recente, mas j mostrou um enorme potencial. Caracterizada por um recurso inesgotvel e impactos ambientais reduzidos, oferece uma excelente oportunidade de produo de energia, para os pases mais soalheiros, do mesmo modo que o offshore elico oferece para as costas mais ventosas. Tal como aconteceu com as tecnologias elicas (Figura 2.24), os custos de produo de CSP, actualmente elevados, tero uma tendncia decrescente com o aumento da potncia instalada, tal como defende o Laboratrio NREL.

Figura 2.24 Variao do Custo de produo de elica [19]

As aludidas centrais solares trmicas necessitam da irradincia directa, pelo que s so viveis em regies com elevada densidade desta irradincia. De entre as reas da Terra mais promissoras (Figura 2.25), destacam-se: o Sudoeste norte-americano, Amrica do Centro e Amrica do Sul, os pases mediterrneos da Europa, incluindo o Sul de Portugal, Norte de frica, Mdio Oriente, China e Austrlia.

Figura 2.25 Principais zonas para instalao de tecnologias de concentrao

Em determinadas regies, um km2 de superfcie suficiente para gerar 100 a 120 GWh/ano, atravs do solar termoelctrico de concentrao, o equivalente energia anual produzida por uma central trmica convencional de 50 MW [20]. O CSP oferece o menor custo para a produo de electricidade a partir da energia solar, sendo esperado que continue a decrescer, dado aos incentivos que esta tecnologia tem recebido. Com o valor monetrio da electricidade, proveniente das tecnologias convencionais, a aumentar e a preocupao crescente com as questes ambientais, os promotores tornam-se cada vez mais interessados no CSP, como uma alternativa vivel s outras tecnologias renovveis [20].

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Solar Termoelctrico de Concentrao 19

Relativamente constituio das centrais CSP, de explicitar os quatro grupos fundamentais que delas fazem parte, especificamente: concentradores, receptores, fluido de transferncia de energia ou armazenamento e grupo de converso em energia elctrica. A utilizao de sistemas pticos de concentrao, permite atravs da obteno de maiores fluxos de energia na converso trmica, a operao a alta temperatura e viabiliza a utilizao da energia solar trmica num espectro mais alargado de aplicaes [21]. Como ilustra a Figura 2.26, os sistemas de tecnologia fotovoltaica apresentam maior variabilidade, associada intermitncia do recurso solar.

Figura 2.26 Resposta dos sistemas, PV e CSP, perante um dia nublado [22]

Mesmo sem sistema de armazenamento multi-hour, o CSP tem capacidade de armazenamento de curto prazo, inerente inrcia trmica do fludo de transferncia de calor. De notar, que a turbina continua a ser alimentada com vapor, mesmo durante a passagem de uma nuvem. As centrais PV ou mesmo CPV, no tm esta inrcia trmica, pelo que a resposta passagem de nuvens muito rpida. De entre os sistemas pticos utilizados em aplicaes de alta concentrao, destacam-se trs arquitecturas diferentes (Figura 2.27) [23]: Sistemas de Concentrao Linear: concentram a radiao solar em tubos absorvedores, colocados ao longo do foco de uma superfcie reflectora do tipo cilindro parablico ou Fresnel linear; Sistemas de Concentrao Pontual de Torre: um campo de heliostatos (espelhos) concentra para uma cmara localizada no topo de uma torre; Sistemas de Concentrao Pontual de Disco/Stirling: a radiao solar concentrada por uma superfcie parabolide de revoluo para um ponto localizado no foco do disco.

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Figura 2.27 Descrio das Tecnologias CSP [21]

Estas tecnologias sero analisadas em detalhe nos pontos que seguidamente sero expostos.

2.3.1. Sistemas Cilindro-ParablicoEstes sistemas termoelctricos de concentrao so, actualmente, a tecnologia de converso mais madura. Estes so de concentrao linear, em que o campo solar de natureza modular, isto , composto por filas paralelas de colectores solares alinhados sobre um eixo norte-sul horizontal. De mencionar, que cada colector solar incorpora um reflector do tipo cilindro parablico, que concentra a radiao incidente num receptor tubular (absorsor) colocado no foco da parbola.

Figura 2.28 Seguidor Solar para tecnologia Cilindro-Parablico [24]

O seguimento do sol de Este para Oeste (Figura 2.28), garante que a radiao continuamente focada no receptor linear. Um fludo de transferncia de calor (HTF) aquecido medida que circula atravs do absorsor em direco ao permutador de calor do bloco de potncia, onde usado para gerar vapor a alta presso e elevada temperatura. Este alimenta uma turbina convencional de vapor, acoplada a um gerador elctrico. O vapor

20

Solar Termoelctrico de Concentrao 21

turbinado condensado e regressa aos permutadores de calor. Por sua vez, o HTF, depois de passar nos permutadores de calor, conduzido de novo ao campo solar [25].

Figura 2.29 Esquema de uma central CSP Cilindro Parablico [25]

A tecnologia CSP Cilindro-Parablico foi, primitivamente, concebida para utilizao da energia solar como fonte primria para produzir electricidade. Durante os meses de Vero funcionam sensivelmente 10 a 12 horas por dia. Com radiao suficiente, so capazes de operar potncia nominal apenas com recurso solar, no entanto, todas a centrais construdas at data formam um sistema hbrido solar/fssil (ISCC Integrated Solar Combined Cycle), pois, possuem um sistema de backup fssil, usado para complementar a produo quando o recurso solar est indisponvel. O recurso fssil, vulgarmente, gs natural, colocado em paralelo com o campo solar para auxiliar no aquecimento do HTF. Outra montagem possvel, em paralelo com os permutadores de calor, para servir na produo de vapor (Figura 2.29). A Figura 2.29 ilustra ainda, a possibilidade de armazenamento, que confere central a capacidade de ser despachada. As primeiras instalaes, usam leo sinttico como HTF, devido sua baixa presso de funcionamento e facilidade de armazenamento, todavia, os novos projectos em desenvolvimento assentam na produo directa de vapor (DISS Direct Solar Steam) no tubo absorsor, eliminando desta forma, a necessidade de permutador de calor. Estes avanos levam ao aumento da eficincia global da central, bem como uma possvel reduo em cerca de 30% do custo total da central [20].

2.3.2. Sistemas Lineares do Tipo FresnelO sistema de concentrao linear com reflector do tipo Fresnel (LFR) composto por heliostatos de forma rectangular colocados no solo que concentram a radiao para um receptor tubular absorsor - (tubo de vcuo ou no), situado a uma cota elevada em relao aos heliostatos, normalmente colocado no interior de uma outra cavidade no-evacuada, que funciona como sistema secundrio de concentrao. De notar, que uma tecnologia de apenas seguimento Azimutal e de produo directa de vapor no absorsor (Figura 2.30)[21].

22 Estado da Arte

Figura 2.30 Esquema de funcionamento de um sistema do tipo LFR [26]

A tecnologia LFR considerada como uma alternativa de baixo custo para a produo de vapor, comparativamente tecnologia cilindro parablico. As primordiais vantagens do FLR em relao Cilindro Parablico so: Sistema concentrador de baixo custo com sistema de seguimento simples; Tubo absorsor fixo, sem necessidade de articulaes flexveis; A resistncia ao vento reduzida pela segmentao dos heliostatos, pelo que a largura do reflector (conjunto de heliostatos) pode ser at 3 vezes maior do que a largura do reflector cilindro parablico; Produo directa de vapor pelo absorsor; Utilizao eficiente do terreno, uma vez que os colectores podem ser dispostos lado a lado; No entanto, a principal desvantagem prende-se com perda de eficincia, em comparao com os sistemas cilindro parablicos, mas que por sua vez carece de um menor investimento inicial [27]. Em Portugal, foi divulgado um documento do Ministrio da Economia, no mbito da Presidncia de Portugal na Unio Europeia (2007), que anunciava a construo de uma central solar trmica, perto da cidade de Tavira, destinada produo de electricidade a partir da produo de vapor turbinado. Os componentes, tais como colectores, seriam produzidos numa unidade industrial criada para o efeito. A central termoelctrica tinha as seguintes caractersticas:Turbogerador Potncia de Pico Potncia Nominal Nmero de Horas em Funcionamento Energia Produzida rea de Colectores rea de Ocupao do Solo Consumo de Fludo Transferncia de Calor Consumo de gua para o Arrefecimento Investimento Data de entrada em funcionamento 6.6 MWe 6.5 MWe 5.2 MWe 2442 h/ano 12 GWh/ano 83 000 m3 100 000 m2 1 a 2 m3 /dia 130 m3 /dia 19 M Outubro de 2008

Tabela 2.1 Caractersticas da Central Termoelctrica prevista para Portugal

No obstante, este projecto no passou do papel, pois no foi autorizada a construo de um apoio fssil para utilizar nos perodos em que a radiao solar diminuta ou inexistente,

22

Solar Termoelctrico de Concentrao 23

por exemplo noite, mantendo-se desta forma, os nveis de produo constantes e previsveis, no sofrendo a intermitncia das renovveis.

Figura 2.31 Central de 5 MWe do tipo LFR, California, USA [26]

2.3.3. Sistemas de Receptor Central de TorreA tecnologia CSP de Torre concluiu a fase de teste e, embora menos madura do que a tecnologia Cilindro-Parablico, encontra-se prximo do inicio da comercializao. uma tecnologia de concentrao pontual, que dispe de um conjunto circular ou semicircular de heliostatos com seguimento individual, concentrando a radiao solar num receptor central colocado no topo de uma torre. O HTF, absorve a radiao concentrada e converte-a em energia trmica seguidamente utilizada para gerar vapor a elevadas temperaturas. O vapor resultante conduzido para uma turbina que acciona um gerador elctrico [25]. Os HTF at aqui demonstrados incluem: gua/vapor, sais fundidos, sdio e ar e a sua escolha depende das temperaturas em questo, podendo atingir valores na ordem dos 700C, embora continuem a ser realizados projectos que apontam para temperaturas de operao acima dos 1000C [9].

Figura 2.32 Esquema de funcionamento de uma central CSP de Torre [28]

Em particular uma central CSP de torre, com sais fundidos como HTF (Figura 2.32), utiliza dois tanques de armazenamento, um para conservao do fluido de transferncia frio e o outro para depsito do fludo quente. O HTF a 290C bombeado do tanque frio para o receptor, onde aquecido a 565C, e posteriormente, conduzido para o tanque quente. Quando o bloco de potncia est em funcionamento, o HTF quente direccionado para um permutador de calor, produzindo-se vapor a elevadas temperaturas que acciona um grupo

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turbina/gerador convencional de ciclo de Rankine. Por ltimo, o sal regressa ao tanque frio para novo ciclo. O campo de heliostatos que circunda a torre definido para optimizar o desempenho anual da central. Numa instalao tpica, a captao de energia solar ocorre a uma taxa que excede o necessrio para fornecer vapor turbina. Assim, o sistema de armazenamento trmico pode ser carregado ao mesmo tempo que a central produz energia. A relao entre a energia trmica fornecida pelo sistema colector/receptor e a potncia trmica requerida pelo gerador elctrico chamado de mltiplo solar. Assim, com um mltiplo solar de cerca de 2,7, uma central de torre de sais fundidos, localizada no deserto de Mojave, Califrnia, pode ser projectada para um factor de capacidade anual de cerca de 65%, isto , a central poderia operar 65% do ano sem a necessidade de backup. Na ausncia de armazenamento de energia, as tecnologias CSP so limitadas a um factor de capacidade anual de, aproximadamente, 25%. A determinao do tamanho ideal dos tanques de armazenamento, para atender s exigncias do despacho de energia, uma parte importante do processo de concepo do sistema [29]. O conceito de despacho de energia est, comummente, associado s centrais trmicas convencionais ou centrais hdricas com albufeira, as centrais solares no so despachveis, contudo a tecnologia CSP, em concretamente, as de sais fundidos, oferece a oportunidade de armazenamento de energia trmica, conferindo central a possibilidade de despacho. A Figura 2.33 demonstra esta particularidade.

Figura 2.33 Combinao de armazenamento e hibridizao em CSP [30]

Neste exemplo, para um dia habitual de Vero, a central solar comea a receber energia trmica logo aps o nascer do sol e armazena-a no tanque quente, acumulando energia no reservatrio ao longo do dia (rea correspondente na figura - to storage). Atendendo Figura 2.33 verifica-se que apesar da diminuio ou inexistncia de luz solar, a central mantm a produo de energia mas com recurso ao armazenamento trmico. Os sais fundidos so a chave para a melhor relao custo/eficincia em armazenamento de energia trmica.

2.3.4. Sistemas de Disco ParablicoO sistema CSP Disco Parablico mostrado na Figura 2.34, produz electricidade, a partir da energia trmica solar concentrada, usada para mover um motor.

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Solar Termoelctrico de Concentrao 25

Este sistema utiliza um reflector parablico de revoluo, provido de seguimento em Azimute e Elevao, para concentrar a radiao solar num receptor trmico integrado no motor. O receptor consiste num permutador de calor, projectado para transferir a energia absorvida para um fludo de trabalho (designado anteriormente por HTF). O motor converte a energia trmica concentrada em energia mecnica, de uma forma anloga aos motores convencionais a gs ou a diesel. O HTF comprimido quando est frio, e aquecido de seguida para expandi-lo para uma turbina ou para uma cmara pisto/cilindro. A energia trmica ento convertida em elctrica, atravs de um gerador. Os ciclos termodinmicos utilizados para estes sistemas incluem [31]: Ciclo de Rankine, que usa gua ou um fludo orgnico como HTF; Ciclo de Brayton e Ciclo Stirling, sendo este ltimo preferencialmente utilizado.

Figura 2.34 Esquema de um Sistema do Tipo Disco Parablico Stirling [31]

O concentrador parablico, deve ser dimensionado para captar cerca de 4 vezes mais energia trmica do que a potncia elctrica nominal, devido eficincia global do sistema, de aproximadamente 25% [32]. Contudo, as elevadas temperaturas com que trabalha, sensivelmente 700C [21], permitiram-lhe alcanar o recorde de eficincia solar/elctrico em 40%. O custo de energia porm duas vezes superior ao sistema CSP Cilindro-Parablico, uma vez que, no sendo uma tecnologia madura, necessita de um forte investimento inicial. Enquanto que as centrais CSP de Torre ou Cilindro Parablico so projectadas para potncias nominais na ordem das centenas de MW, a tecnologia Stirling limitada a potncias, tipicamente, na ordem dos 5 a 25 kWe, onde o dimetro de abertura do concentrador varia de 7.5m a 11m, respectivamente [32]. So portanto, recomendados para projectos isolados da rede, como forma de substituio dos equipamentos diesel [23]. Adicionalmente, podem ser desenhados para funcionarem com recurso fssil, nos perodos de ausncia de energia solar.

2.3.4.1.

Ciclo de Stirling

Os motores com ciclo termodinmico de Stirling funcionam a altas temperaturas, 700C, e presses. Estes requerem vulgarmente a utilizao de Hidrognio ou Hlio como HTF. O fludo de trabalho , continuamente, aquecido e arrefecido num processo com temperatura e volume constante. A Figura 2.35 representa os quatro processos bsicos de um motor de ciclo Stirling, havendo uma srie de configuraes mecnicas que implementam esses processos temperatura e volume constante. A maioria envolve o uso de pistes e cilindros, mas existem

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outros que possuem um pisto que desloca o fludo de trabalho sem alterar o seu volume para transporta-lo para trs e para a frente, entre a regio quente e a regio fria do motor.

Figura 2.35 Processos no ciclo termodinmico de Stirling [31].

Os motores Stirling apresentam um conjunto de vantagens e desvantagens que sero descritas, em seguida, sob a forma de tpicos [33]. Assim, as vantagens dos motores Stirling so: Eficincia elevada comparada com outros ciclos termodinmicos que necessitam da mesma temperatura; Possibilidade de hibridizao, com recursos fsseis, biomassa e geotrmica; Elevada fiabilidade; As suas desvantagens incluem: Resposta lenta a um aumento ou decrscimo de carga; Do ponto de vista da comercializao, uma tecnologia embrionria [32]. Em jeito de concluso, apresenta-se a seguinte tabela em forma de sntese.Unidade Potncia Concentrao Temperaturas de Operao Fluido de transferncia de calor Mxima Eficincia Eficincia global da central Eficincia do ciclo trmico rea Ocupada Consumo de gua Hibridizao Armazenamento Estado de comercializao MW x C % % % m2/MWh l/MWh CSP Cilindro Parablico 30 - 320 70 80 390 leos sintticos e sais fundidos 20 11 - 16 30-40 6-8 3000 Sim Tecnologia de armazenamento com sais fundidos em estudo Tecnologia comercializada CSP Torre 10-200 300-1000 565 Sais Fundidos 23 7- 20 30-40 8-12 2000 Sim Armazenamento Trmico com Sais Fundidos Demonstrao em larga escala, apenas uma central comercializada CSP Disco Parablico 0.005-0.25 1000-3000 750 Hidrognio, Hlio 29.4 12 - 25 30-40 8-12 No requer consumo de gua Sim Armazenamen to Em Baterias Demonstrao em larga escala CSP Fresnel Linear 10-200 25 100 Vapor Saturado 8 - 10 30-40 4-6 3000 Sim Em fase de demonstrao

-

Tabela 2.2 Quadro Resumo das tecnologias CSP

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Solar Termoelctrico de Concentrao 27

2.3.5. Fluidos de Transferncia de CalorAs melhorias termodinmicas no fluido de transferncia de calor so cruciais para baixar o custo nivelado de energia no CSP. Isto pode ser conseguido atravs da reduo dos pontos de fuso e aumentando a presso de vapor dessas substncia [34]. Entre vrios fluidos de transferncia de calor destacam-se os leos sintticos, os sais fundidos e a gua. Os leos sintticos, apresentam a vantagem de serem um HTF usado desde as primeiras centrais com tecnologias CSP. Contudo, a sua utilizao est limitada a temperaturas at 400C, o que condiciona o rendimento do ciclo de vapor. As caractersticas txicas e inflamveis, figuram como a principal desvantagem da sua aplicabilidade. Do mesmo modo, a sua utilizao em centrais com capacidade de armazenamento, diminui a eficincia global. Os sais fundidos so um tipo de fludo estvel para temperaturas prximas dos 550C, o que, comparativamente aos leos sintticos, possibilita o aumento da eficincia global da central. So usados para armazenamento, contudo, solidifica a temperaturas abaixo dos 100C, sendo necessrio, o consumo de energia durante a noite por forma a mant-lo quente [35]. De salientar, que a corroso dos receptores outro problema quando se trabalha com sais fundidos. A vantagem da utilizao da gua como HTF reside na produo directa de vapor, mas a sua utilidade como fluido de transferncia de calor est ainda em discusso.

2.3.6. ArmazenamentoO armazenamento de energia trmica (TES) tem o potencial de aumento do tempo de produo CSP at 16 horas por dia (Figura 2.33) e do factor de capacidade para mais de 50%, o que confere s centrais, capacidade de despacho de energia [34]. Pese embora, o facto de aumentar o investimento com o armazenamento, o custo nivelado de energia (LCOE) diminui com a elevao do factor de capacidade e com a maior utilizao do bloco de potncia. Por exemplo, uma mistura de sal fundido com 60% de nitrato de sdio e 40% de nitrato de potssio usado como meio de armazenamento em 50 MW da central CSP Andasol I localizada em Espanha, permitindo mais de 7 horas de produo, aps a radiao no estar disponvel. Vrias misturas de sais fundidos so investigadas para optimizar a capacidade de armazenamento. O leo sinttico, que foi o histrico fluido de transferncia de calor em sistemas CSP, tambm equacionado como um potencial meio de armazenamento para futuros sistemas [34].

2.3.7. Consumo de guaUm sistema CSP Cilindro Parablico refrigerado a gua requer aproximadamente 3 m3/MWh. Um sistema CSP Torre, dada as suas temperaturas de funcionamento mais elevadas requer menos consumo de gua para refrigerao, cerca de 2 a 2.8 m 3/MWh. Os sistemas Disco Parablico, no necessitam de refrigerao a gua. Como as centrais CSP so geralmente construdas em zonas secas, a escassez de gua figura como um substancial problema. Uma possvel alternativa refrigerao a gua, passa por refrigerao a ar, o que diminui em aproximadamente 90% o consumo de gua. No obstante, a refrigerao do ar exige maior investimento inicial e pode resultar numa

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diminuio de 5% na produo de electricidade, dependendo da temperatura ambiente. Esta reduo de eficincia da central, equivale a um aumento de 2% a 9% no LCOE. Uma outra alternativa a aplicao de refrigerao hbrida, diminuindo o uso da gua, minimizando os prejuzos do arrefecimento a ar.

2.4. Modelos de Estimativa de ProduoNos subtpicos que a seguir se expem, sero analisados os modelos de estimativa de produo existentes na actualidade, com base na investigao efectuada, tais como: modelo paramtrico com previso de radiao directa, modelo baseado na norma IEC de fotovoltaico, mtodo por interpolao bilinear, estimativa por regresso, metodologia do ISFOC, modelos baseados em redes neuronais artificiais e software de similuo.

2.4.1. Modelo Paramtrico com Previso de Irradincia DirectaNo trabalho publicado em [36] os autores analisam a energia produzida por dois sistemas fotovoltaicos de concentrao, um de concentrao linear (EUCLIDES), outro pontual, atravs da determinao da irradincia directa. Vrios foram os mtodos utilizados para obter a distribuio terica da irradincia directa, sendo posteriormente comparados com os valores reais registados. Ambas as tecnologias de concentrao, includas neste estudo, so de seguimento solar de duplo eixo. Os autores determinaram o perfil mdio de irradincia directa, segundo 3 metodologias: Desagregao da irradincia global em directa e difusa, pelo modelo de Collares Pereira e Rabl; Irradincia directa mdia, determinada a partir do nmero de horas de sol; Irradincia directa fixa, 800 W/m2. A variao da temperatura e a influncia do vento, tambm foram considerados nesta metodologia.

Figura 2.36 Energia mensal estimada e produzida pelo sistema EUCLIDES [36]

Nota-se pela Figura 2.36, que a desagregao da irradincia directa pelo nmero de horas de sol o modelo que prev com menor erro a energia produzida pelos dois sistemas. Em jeito de concluso, os autores reiteram que necessrio uma melhoria no clculo da

28

Modelos de Estimativa de Produo 29

irradincia directa, por forma a determinar-se com maior preciso a energia produzida pelos concentradores fotovoltaicos.

2.4.2. Mtodo Baseado na Norma IEC 61853 (Fotovoltaico)Este mtodo baseado na Norma IEC 61853-1, de fotovoltaico, fornecendo a potncia de pico do mdulo PV para operao segundo um conjunto de condies definidas. Como a potncia depende do nvel de irradincia e temperatura, a avaliao feita para vrios nveis de irradincia e temperatura. Os investigadores do ISFOC, adaptaram e testaram esta metodologia num sistema CPV [37]. Analisaram o histrico de dados de produo, irradincia e temperatura do local em estudo e, concluram os diferentes nveis de anlise que deveriam ser tomados. Os valores medidos para a instalao em teste esto patentes na Tabela 2.3:

Tabela 2.3 Potncia medida (W) para vrios nveis de irradincia e temperatura.

Atravs dos resultados apresentados na Figura 2.37, os autores analisaram a regresso entre as variveis, concluindo que a relao entre a potncia e a irradincia segue uma tendncia linear para os diferentes valores de temperatura.

Figura 2.37 Relao entre a Potncia e Irradincia, para vrios valores de temperatura.

2.4.3. Interpolao BilinearOs mesmos autores do estudo anterior, utilizaram uma nova metodologia descrita para PV, denominada por Interpolao Bilinear. Este mtodo necessita de 4 curvas I-V, medidas em diferentes condies: 1) Irradincia elevada e temperatura baixa; 2) Irradincia e temperatura elevada; 3) Irradincia e temperatura baixa; 4) Baixa irradincia e temperatura elevada. O procedimento tomado de seguida transpor as medies realizadas em 1) e 2) para uma nova relao paramtrica 5), e as medidas 3) e 4) para uma nova relao 6). A formulao de 5) e 6) apresentada em [37].

30 Estado da Arte

2.4.4. Estimativa por RegressoEste procedimento [37] baseado na Norma Americana ASTM E 2527-06 Rating Electrical Performance of Concentrator Terrestrial Photovoltaic Modules and Systems under Natural Sunlight. tambm o mtodo de avaliao da performance de um mdulo CPV actualmente em uso nos Estados Unidos. Consiste em medir a potncia mxima (P) do painel sujeito a vrios nveis de irradincia directa (E), temperatura ambiente (Ta) e velocidade do vento (v). utilizada uma regresso para determinar a potncia para as condies padro. O clculo dos resultados obtido por regresso linear de P em funo de E, v e Ta usando a equao (2.5), sujeita aos pesos a1, a2, a3 e a4:(2.5)

2.1.1. Metodologia do ISFOCO Instituto Espanhol de Sistemas Fotovoltaicos de Concentrao, desenvolveu uma metodologia prpria para classificar os mdulos quanto sua potncia nominal. baseada num conjunto de medidas num curto perodo de tempo, que so traduzidas para as condies padro atravs de equaes baseadas no modelo de Shockley [38-39]. Essas condies definidas pelo ISFOC para a caracterizao de um concentrador fotovoltaico so definidas para irradincia directa (E0), e temperatura da clula (Tc): E0=850W/m2 e Tc=60C. As medies so vlidas para: Cu limpo durante a medio; Irradincia directa superior a 700 W/m2; Velocidade do vento inferior a 3.33 m/s; As grandezas medidas so: Curva IV do sistema; Irradincia directa, medida em tempo real; Temperatura da clula, calculada a partir da temperatura do dissipador pela Direco e velocidade do vento; Espectro solar; Temperatura ambiente.

2.1.2. Modelos baseados em Redes Neuronais ArtificiaisAs Redes Neuronais Artificiais (ANN) so amplamente aceites como uma ferramenta que oferece uma forma alternativa para resolver problemas complexos e no lineares. O mtodo de aprendizagem baseado em exemplos. As ANN so capazes de lidar com rudo, dados incompletos e problemas no lineares, e uma vez treinadas, podem realizar previso e generalizao de uma forma praticamente instantnea [40]. Outros autores de [41] exploram as ANN para estimar a produo de vapor por uma central CSP Cilindro Parablico. Num estudo, a rede foi treinada com valores de desempenho para um certo nmero de colectores compreendidos numa rea entre 3.5 e 2160 m2. A ANN

30

Modelos de Estimativa de Produo 31

foi capaz de prever a produo de vapor mdio mensal do sistema, como mostrado na Figura 2.38, com uma diferena mxima de 5,1% em relao aos valores medidos.

Figura 2.38 Comparao entre valores reais e valores simulados de produo de vapor [40]

2.1.3. Software de Simulao margem dos modelos analticos ou baseados em Redes Neuronais, o laboratrio Norte Americano NREL, desenvolveu uma ferramenta informtica com interface grfico (Figura 2.39), capaz de simular o funcionamento das diversas tecnologias de concentrao, tanto CSP como CPV. O Software, designado por SAM (Solar Advisor Model) resultado de trabalhos de investigao realizados ao longo dos ltimos anos entre os quais, [32], [29], [42] e [43].

Figura 2.39 Interface grfica SAM

O SAM uma ferramenta gratuita que pode ser descarregado em [44], e combina um modelo de desempenho detalhado com vrios tipos de financiamento (desde residencial a centralizado). As tecnologias actualmente representadas no SAM incluem, CSP Torre, CSP Cilindro Parablico, CSP Disco-Stirling, CPV e PV convencional. Os modelos permitem a anlise do impacto econmico sobre mudanas na arquitectura do sistema.

32 Estado da Arte

O software aqui sinteticamente descrito permite ao utilizador a informao sobre: Produo do sistema; Produo mxima e eficincia do sistema; Custo nivelado de energia; Custo de capital, operao e manuteno do sistema; Produo horria.

2.2. ConclusoA recolha de informao respeitante ao funcionamento das tecnologias CPV e CSP, afigura-se como um procedimento chave na prossecuo deste trabalho, uma vez que, a correcta estimativa de produo das centrais, pressupe o conhecimento vincado do funcionamento de cada tecnologia. Assim, este captulo serve de ncora ao que se segue, uma vez que foi exposto de uma maneira sucinta as caractersticas de produo de diferentes tecnologias CPV e CSP, bem como das metodologias j existente de estimativa de produo CPV e de simulao termodinmica no caso do CSP.

32

Captulo 3 Construo dos Modelos de ProduoO captulo em desenvolvimento apresenta a metodologia encontrada para solucionar alguns dos objectivos deste trabalho. No que respeita ao CPV, determinado um modelo de produo para uma central de baixa concentrao da WS Energia, para a qual apresentada uma breve descrio. Os dados de produo utilizados foram cedidos pela WS Energia, ao passo que os dados meteorolgicos e de irradincia global no plano horizontal foram disponibilizados pela empresa SmartWatt. Relativamente ao CSP, no foi possvel obter dados reais de produo, pelo que a anlise das tecnologias, em particular da CSP Torre, foi realizada a partir do software de simulao SAM.

3.1. Solar Fotovoltaico de ConcentraoAs tecnologias CPV apresentam as mesmas condicionantes do PV convencional, pelo facto de utilizarem um recurso renovvel, esto sujeitas variabilidade do mesmo. Como analisado no Captulo 2, as tecnologias CPV, em especial as de mdia e alta concentrao, so fundamentalmente caracterizadas, no que respeita produo, pela DNI. Contudo os sistemas de baixa concentrao so, na generalidade, formados por mdulos fotovoltaicos de silcio, com um sistema auxiliar de concentrao por espelhos. Assim, do ponto de vista de produo, os CPV de baixa concentrao no esto dependentes da DNI.

3.1.1. Caracterizao do Sistema CPV - WS EnergiaA tecnologia desenvolvida pela WS Energia combina concentrao fotovoltaica com seguimento do sol, a primeira aumenta a produo instantnea do mdulo, enquanto que a segunda optimiza a produo horria de energia. Trata-se de uma tecnologia inovadora, uma vez que a estrutura capaz de aumentar a produo, recorrendo a um painel fotovoltaico convencional sem precisar de componentes adicionais. A estrutura baseada num seguimento em Azimute e Elevao Solar (Figura 3.2), de alta preciso (< 2) [7], tambm desenvolvido pela WS Energia.

34 Construo dos Modelos de Produo

O sistema composto pela estrutura de suporte em ao inoxidvel (Figura 3.1). As pticas de reflexo, de forma rectangular plana, so montadas em V (Figura 3.3), distribuindo a radiao, uniformemente, sobre os mdulos fotovoltaicos.

Figura 3.1 Estrutura do sistema CPV WS Energia [7]

Figura 3.2 Seguimento em Elevao (direita) e Azimute (esquerda) [7]

Figura 3.3 Disposio dos espelhos reflectores [9]

Os produtos desenvolvidos e patenteados pela WS Energia, incluem o concentrador DoubleSun e mais recentemente o HSUN. O primeiro como o nome indica um produto de baixa concentrao, 2x e inclui: dois espelhos, estrutura galvanizada a quente, clips de fixao em ao inox, dois actuadores lineares, controlador WS Robotic, manual completo e poste. O sistema garante um aumento de produo at 95%, so desenvolvidos para suportar ventos fortes, e para tal, so inteiramente testados atravs de simulaes numricas e testes laboratoriais. O seguimento permite tambm desviar os mdulos da perpendicular ao sol, quando a sua temperatura excede 80C [1]. A colaborao da WS Energia para a concretizao desta dissertao foi um ponto chave na concluso da mesma, a informao disponibilizada, ainda que escassa, compreende apenas: Potncia Instalada numa central CPV, que se refere potncia de pico dos mdulos fotovoltaicos 2580 Wp; Referncia geogrfica da localizao da central Vila Franca de Xira; Potncia instantnea medida (kW), discretizada de 15 em 15 minutos, no perodo compreendido entre 01 e 31 de Janeiro de 2010.

34

Solar Fotovoltaico de Concentrao 35

A Figura 3.4 demonstra a evoluo diria da potncia instantnea, e de notar a variabilidade associada ao recurso solar. Como se reporta a um ms de Inverno, no possvel avaliar com preciso o mximo de produo desta central, devido aos baixos valores de irradincia global verificados em Janeiro em comparao com meses de Vero.Produo WS - Janeiro 2010 4 Potncia Instantnea Medida (kW) 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 01/Fev 1/Jan 2/Jan 3/Jan

Em particular, os dias 8 e 28, associados a dias de cu limpo, no apresentam variaes significativas na produo, como pormenorizado na Figura 3.5.Dia 8 de Janeiro Dia 28 de Janeiro Max(8 Janeiro) Max(28 Janeiro)

4/Jan

5/Jan

6/Jan

7/Jan

Figura 3.4 Produo WS, Janeiro de 2010

8/Jan

9/Jan

10/Jan

11/Jan

12/Jan

13/Jan

14/Jan

15/Jan

16/Jan

17/Jan

18/Jan

19/Jan

20/Jan

21/Jan

22/Jan

23/Jan

24/Jan

25/Jan

26/Jan

27/Jan

28/Jan

29/Jan

30/Jan

31/Jan

3.5Potncia Instantnea Medida (kW)

3,104 kW

3,215 kW

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

0:00

0:00

3:00

6:00

9:00

3:00

6:00

9:00

21:00

12:00

15:00

18:00

12:00

15:00

18:00

Figura 3.5 Produo WS para os dias 8 e 28 de Janeiro 2010

Em contraste com os dias 8 e 28, o ltimo dia de Janeiro ostenta grandes variaes na produo, porm neste dia que ocorre o mximo de produo para o ms de Janeiro, 3.379 kW, tal como mostra o seguinte grfico.

21:00

0:00

36 Construo dos Modelos de Produo

Dia 31 de Janeiro 4 3,379 kW 3.5

Max(31 de Janeiro)

Potncia Instantnea Medida (kW)

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0,648 kW 0

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00

Figura 3.6 Produo WS para o dia 31 de Janeiro 2010

A Figura 3.6 um exemplo da variabilidade que a produo pode tomar num dia nublado. De ressalvar, que em aproximadamente 15 minutos, a produo caiu dos 3.379 kW para 0.648 kW, cerca de 80%. Durante estas 24 horas tambm se registou o mximo de produo desta central, para o ms de Janeiro, anotado em 3.379 kW. Assim, dada a potncia instalada da central, pode calcular-se o factor de concentrao, atravs de:

(3.1)

Contudo trata-se de um valor meramente exemplificativo, uma vez que o factor mximo de concentrao ocorre para um perodo de irradincia elevada, tipicamente meses de Vero.

3.1.2. Caracterizao dos dados Meteorolgicos e de RadiaoComo referido no incio deste captulo, os dados meteorolgicos e de radiao foram disponibilizados pela empresa SmartWatt. De reforar que se tratam de dados obtidos por previso, efectuada s 18 horas do dia D para o dia D+1, de uma dada localizao geogrfica, discretizados de 15 em 15 minutos. Os dados oferecem informao de: Referncia geogrfica do ponto de previso (Sobral de Monte Agrao); Irradincia Global no plano horizontal (W/m2); Temperatura Ambiente (C). O ms analisado foi Janeiro de 2010, contudo, devido aos erros grosseiros que o processo de previso acarreta, no foi possvel obter a previso de irradincia e temperatura para o ms completo. Na Figura 3.7, sob a forma de grfico so apresentados os dados de irradincia global conhecidos.

36

Solar Fotovoltaico de Concentrao 37700Previso Radiao Global - Janeiro 2010 Radiao Global Prevista (W/m2) 600 500 400 300 200 100 010/Jan 1