Concentradores solares são dispositivos que captam e concentram a luz solar em uma pequena área para convertê-la em energia térmica ou elétrica. A ideia é captar mais luz em menos espaço, utilizando técnicas de concentração.
Para atingir esse objetivo, são utilizados espelhos ou lentes que focalizam a luz em um ponto ou linha específica. Eles são amplamente utilizados em usinas de concentração de energia solar, que geralmente estão localizadas em áreas com muito sol.
Mas que tipos existem e como eles são diferentes?
1. Concentradores de calha parabólica
Este tipo de concentrador é um dos mais comuns e amplamente utilizados no mundo da energia solar concentrada.
Imagine uma espécie de canal longo em forma de U que se curva para criar uma parábola, como um espelho longo e curvo. Este canal ou coletor possui espelhos em sua superfície interna que concentram a luz em uma linha.
Como funciona?
A luz solar incide sobre os espelhos e, devido ao formato parabólico, concentra-se em um tubo receptor localizado bem no foco da parábola. Dentro deste tubo geralmente há um fluido de transferência de calor (como um óleo especial) que é aquecido pela luz concentrada. Esse calor pode ser usado diretamente ou para produzir vapor para acionar uma turbina e gerar eletricidade.
Esses concentradores são ideais em áreas onde o sol está a uma altura bastante constante, pois só precisam de rastreamento em um eixo para seguir a posição do sol. Sua eficiência é muito alta, mas limitam-se a captar luz solar direta, ou seja, não funcionam tão bem em dias nublados.
Os concentradores de calha parabólica normalmente atingem temperaturas de até 400°C, permitindo a geração de vapor pressurizado para acionar turbinas e produzir eletricidade. Esse tipo de usina também permite o armazenamento de energia térmica em sais fundidos, o que significa que pode continuar gerando eletricidade mesmo após o pôr do sol.
Exemplo
A usina solar Solana, no Arizona, EUA, é um dos maiores exemplos de instalações que utilizam concentradores parabólicos.
Essa usina tem capacidade de 280 MW, suficiente para fornecer energia elétrica a aproximadamente 70 mil residências.
2. Concentradores lineares de Fresnel
Semelhante aos anteriores, os concentradores Fresnel lineares também utilizam uma estrutura linear, mas em vez de utilizar um espelho parabólico curvo, utilizam uma série de espelhos planos ou quase planos colocados em diferentes ângulos.
Esses espelhos são dispostos em fileiras e focalizam a luz solar em um tubo receptor, localizado a uma grande distância acima dos espelhos.
A vantagem do Fresnel sobre os espelhos parabólicos é que eles são mais simples e baratos de construir, porque os espelhos planos são mais baratos que os espelhos curvos. Eles também permitem um layout compacto, para que você possa instalar mais unidades em um espaço limitado.
Porém, sua eficiência é um pouco menor, já que o design plano não concentra a luz com a mesma precisão de uma parábola. Esses concentradores requerem menos manutenção, mas, assim como as calhas parabólicas, dependem da luz solar direta.
Os concentradores lineares Fresnel normalmente atingem temperaturas entre 250°C e 300°C e possuem um design um pouco mais simples. São mais compactos que os concentradores de calha parabólica e podem ser instalados em terrenos planos ou ligeiramente inclinados.
Exemplo
A usina solar Puerto Errado 2 em Calasparra, Espanha, é um exemplo notável de usina solar com concentradores lineares de Fresnel. Com capacidade de 30 MW, esta instalação aproveita a tecnologia Fresnel para gerar energia elétrica em região de alta irradiação solar.
3. Concentradores de torre solar
Eles são impressionantes e muitas vezes impressionantes por seu tamanho e design. Em vez de espelhos curvos ou planos alinhados em um canal, as torres solares utilizam um grande número de espelhos chamados helióstatos, que circundam uma torre central.
Cada heliostato é controlado individualmente para rastrear o sol e refletir a luz em direção ao topo da torre, onde o receptor está localizado.
O receptor na torre é um recipiente que contém um fluido especial, muitas vezes sais fundidos, que pode atingir temperaturas extremamente altas. Esses sais quentes são então usados para gerar vapor e acionar uma turbina que gera eletricidade.
Um dos pontos fortes deste sistema é que os sais podem armazenar calor durante várias horas, permitindo a geração de eletricidade mesmo após o pôr do sol.
As torres solares possuem altíssima eficiência e são capazes de gerar grandes quantidades de energia, mas exigem um grande investimento inicial e são destinadas a grandes usinas em áreas claras e com alta irradiação solar. Devido à necessidade de grande espaço e de um sistema de rastreamento avançado, as torres solares não são tão comuns quanto os concentradores lineares.
As torres solares podem atingir temperaturas acima de 565°C graças ao uso de sais fundidos como meio de transferência de calor. Este elevado calor permite que a energia térmica seja armazenada durante várias horas, pelo que as centrais com torres solares podem fornecer eletricidade mesmo quando o sol já não brilha. Isto torna-os uma opção competitiva em comparação com as fontes de energia tradicionais, com uma eficiência de armazenamento de 85-90%.
Exemplo
A Usina Solar Ivanpah, na Califórnia, EUA, é a maior torre solar do mundo, com capacidade total de 392 MW. Ele usa mais de 170 mil helióstatos, cada um com dois espelhos, para concentrar a luz solar em três torres receptoras.
4. Concentradores de pratos parabólicos
Eles funcionam de forma semelhante a uma antena parabólica e, de certa forma, até se parecem com uma. Eles são concentradores menores e normalmente são usados em sistemas independentes ou menores, e não em usinas de geração de grande escala.
O concentrador de prato parabólico usa um espelho parabólico em forma de prato para concentrar a luz solar em um único ponto focal, onde um receptor está localizado. Ao contrário dos concentradores de calha parabólica, que concentram a luz ao longo de uma linha, os pratos parabólicos fazem-no num ponto, o que permite atingir temperaturas muito elevadas.
Uma vantagem das antenas parabólicas é que podem ser movidas por um motor Stirling, que é um tipo de motor que converte calor em movimento, sem a necessidade de vapor ou turbinas.
Estes motores são especialmente úteis em aplicações descentralizadas, onde a energia gerada pode ser utilizada imediatamente ou armazenada.
Eles também têm eficiência bastante alta, mas normalmente são mais caros e exigem um sistema de rastreamento solar de dois eixos.
Os concentradores parabólicos podem atingir temperaturas de até 750°C, pois concentram a luz solar em um único ponto. Isso os torna ideais para operar motores Stirling, que convertem calor diretamente em eletricidade sem a necessidade de turbina. Cada unidade de antena parabólica gera entre 3 e 25 kW.
Exemplos
O projeto da antena parabólica Big Dish em Canberra, Austrália, (foto) é um exemplo de instalação em menor escala.
5. Concentradores de lentes Fresnel
Este tipo de concentrador usa lentes Fresnel em vez de espelhos. As lentes Fresnel são lentes planas feitas de múltiplos anéis concêntricos que permitem que a luz seja concentrada em um ponto sem precisar de tanta espessura quanto uma lente convencional. Eles são conhecidos porque permitem que a luz seja concentrada em um design compacto e leve.
Eles são mais utilizados em aplicações solares fotovoltaicas em vez de térmicas. Ou seja, a luz concentrada é utilizada diretamente para gerar eletricidade por meio de células solares.
Esses sistemas são normalmente usados em instalações de pequena e média escala e em aplicações portáteis, como em veículos e edifícios. Embora sejam mais baratos que outros concentradores, a sua eficiência é um pouco inferior e estão sujeitos a sobreaquecimento, pelo que necessitam frequentemente de um sistema de refrigeração.