Doze sistemas solares de pequeno porte para aquecimento e geração por 16 a 22 horas/dia
RESUMO -
ANALISES DE DOZE PROJETOS EXTERNOS BARATOS E DE SUCESSO PARA AQUECIMENTOS OU VAPOR INDUSTRIAL/RURAL OU GERAÇÃO SOLAR POR CALHAS PARABÓLICAS PTC (NÃO-FOTOVOLTAICAS), PRODUTORAS DE ÁGUA QUENTE EM “PROJETOS DSG” PARA ATÉ 220º C POR ATÉ 12 HORAS/DIA COM LUZ OU DE FLUIDO TÉRMICO CIRCULANTE EM “PROJETOS THERMOFLEX” PARA ATÉ 550º C POR 22 HORAS/DIA, COM OU SEM LUZ.
OBSERVAÇÕES -
“Os diversos links, apresentados a seguir em inglês contêm diagnósticos, testes e resultados de projetos de campos, implantados por importantes Universidades, Centros de Pesquisas e até por algumas Empresas já fabricantes de tais calhas, todas externas, vez que ainda não as temos no Brasil Tais documentos técnicos, também em outros idiomas, foram por nós examinados e utilizados na construção de cada “road-map” tecnológico, moralmente/cientificamente necessário (pelo menos 200 horas/cada), mais nas identificações, comparações, defasagens, dificuldades etc.. de cada projeto/patente externa (sobretudo perante a Convenção de Paris e no Sistema Google de patentes). Tudo isto foi providenciado para efetivar, de forma responsável, ética e séria, nossas pesquisas e desenvolvimentos finais para solicitar minhas patentes (vide meu artigo anterior) para fabricações e testes de protótipos – já em finalização - mais suas liberações ambientais e industriais, em nível Brasil, para 03 calhas captadoras/refletoras/ampliadoras térmicas solares do tipo PTC, mas ovais, duplas ou triplas, semi-verticais, customizáveis por local e objetivos e com caixa-estufa captadora térmica especial e diferenciada, ou seja, mais bem aprimoradas, recriadas e com custos reduzidos do que as de suas origens”.
INTRODUÇÃO -
Conforme diagnósticos de 2017 em projetos de campo de Almeria – Espanha - e de Las Vegas - Nevada - EUA (coordenados pelas suas Universidades entre as melhores do Mundo em captações solares e gerações solares mais eólicas e das biomassas), em termos percentuais (%) de eficiência final da captura solar para geração por diversas formas (excluindo elevadas perdas de capturas fotônicas e altas perdas geradoras e transmissoras das energias já capturadas) os melhores resultados obtidos e detectados até a data, pela ordem, foram:
a) Usinas parabólicas com geração hibridas do tipo PTC-GT (calhas “Parabolic trough collector”, mas para acionar turbina a gás, tipo GT “gás turbine”) com rendimento aproximado de 44% (calhas parabólicas coletoras e concentradoras em que o ar comprimido após a geração e na saída do compressor é direcionado para o campo solar, onde é pré-aquecido antes de entrar na câmara de combustão de turbina a gás, sendo que o ciclo de vapor não é modificado);
b) Usinas solar com espelhos e torres centrais também com gerações hibridas do tipo CT-air (Torre Central = Central Tower captadora da média reflexão/concentração de espelhos ao longe, mas para ar comprimido) com 42% de rendimento (espelhos refletores para torres centrais para aquecimento e maior pressionamento de ar - vide antes);
c) Usinas parabólicas com geração simples a vapor do tipo PTC-DSG (calhas “Parabolic trough collector”, mas para aquecimento direto de água para vapor – tipo DSG “Direct Steam Generation” simples e diurno - vide após) com rendimento de 32% (calhas parabólicas coletoras e concentradoras e com geração direta por vapor);
d) Usinas simples do tipo CT-DSG (Torre Central = Central Tower, captadora da média reflexão/concentração de espelhos ao longe, mas para aquecimento direto de água para vapor – tipo DSG “Direct Steam Generation” simples e diurno - vide após com 30% (espelhos refletores para torres centrais e com geração direta com vapor);
e) Bem abaixo ficaram os rendimentos finais das Usinas simples do tipo LFR-DSG (discos refletores Fresnel lineares - tipo LFR “Linear Fresnel Reflectors”, mas para aquecimento direto de água para vapor – tipo DSG “Direct Steam Generation” simples e diurno - vide após) com rendimento de 22% (discos refletores lineares Fresnel e com geração direta com vapor);
f) Usinas hibridas do tipo LFR-GT (discos refletores Fresnel lineares - tipo LFR “Linear Fresnel Reflectors” e acionando uma turbina a gás – tipo GT “gás turbine”) com rendimento final de apenas 9% (discos refletores lineares Fresnel com a geração (calhas parabólicas coletoras e concentradoras em que o ar comprimido após a geração e na saída do compressor é direcionado para o campo solar, onde é pré-aquecido antes de entrar na câmara de combustão de turbinas a gás, sendo que o ciclo de vapor não é modificado).
Em complemento, a maioria dos cientistas não-comerciais atuais já está convencida de que a captação térmica solar - sob diferentes formas e para diversos fins - é muitas vezes mais eficiente, mais barata e mais benéfica, ambiental e socioeconomicamente, para a humanidade do que a antiga captura de aquecimentos diretos em placas ou elétrica fotovoltaica (perdas de captura Fo Tonica de até 85% - sendo que o composto mineral recente e mais efetivo são capturou 24% dos fótons recebidos - mesmo com os materiais recentes e moderníssimos, e outras elevadas perdas e altíssimo custos com transmissão e distribuição final, pois a maioria das usinas de médio a grande porte ficam distantes dos centros consumidores)
Comprovando as elevadíssimas reflexão e concentração térmica de até 70 vezes no tubo captador, do que na base da calha, no vídeo abaixo, sobre geração elétrica por vapor (Sistema thermoflex) em grande projeto cm 120 hectares de calhas PTC de boca larga, únicas e com apenas um tubo captador, no Deserto de Nevada (EUA).
https://www.youtube.com/watch?v=lrRTCbXE0Jc
Já a na tese de mestrado pela Universidade de Bilbao (Espanha) comprova-se concentração térmica possível de 30 a 100 vezes (pagina 20 – item 2.3.2), desde a base da calha captadora até o único tubo coletor térmico adiante e acima presentes em quase todos os grandes e gigantes projetos geradores elétricos atuais com calhas PTC – a maioria nos desertos de países com elevada irradiância solar diária e por até 14 horas/dia- para reaquecimentos de fluido térmico circulante (contudo, em projetos menores ainda em fase de P&D de 2017 a 2019, já se usam caixas-coletoras térmicas com 06 a 08 tubos coletores térmicos em aço AISI 304 ou 316 e com ¾ pol – vide projeto abaixo na Ucrânia pelo professor e pesquisador Sergiy Yurko).
Em complemento, vide a seguir vídeo demonstrando que tanto produção, como a estocagem térmica de modernos fluidos térmicos circulantes em até 550o C (novas marcas importadas LANL CX500 ou Paratherm MR) em modernos sistemas “thermoflex” são bem mais efetivas do que a captura fotovoltaica para uso imediato no local ou pelas chamadas “usinas girassol” (que são operam durante dia e por até 12 horas/dia, são 4 horas/dia com alta efetividade, e com altas perdas de captura mais altos custos de transmissão/distribuição, a atual moda no Brasil, mas já em desestimulo na China e outros) ou para estocagens locais caseiras, ou não, em baterias caríssimas e com vida útil de até 5 anos. No sistema “thermoflex” há produção térmica ou geração continuada por até 22 horas/dia. Eles são de usos crescentes e já participam – de forma isolada ou hibridas com outras fontes - com cerca de 80% das atuais gerações mundiais, desde pequenos, grandes a gigantes projetos – seja para aquecimento de água ou produção de vapor industrial ou vapor energético.
https://www.youtube.com/watch?v=3gDWE7-Uj5U&feature=youtu.be
No Brasil, vide diagnostico de campo acerca em 2001 pelo DEC da Universidade Federal de Santa Catarina, efetivado para a CEMIG-MG, com 2 tipos de alimentadores solares PV em horários diferentes (ICO 07 e INE 02), intitulado “O POTENCIAL DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERLIGADOS À REDE ELÉTRICA EM ÁREAS URBANAS: DOIS ESTUDOS DE CASO”.
Tal estudo e seus gráficos abaixo comprovaram que A PRODUÇÃO ELÉTRICA PV CASEIRA PARA AUTO-CONSUMO (“grid in”, “on grid”, “smart grid”, “grid tie” ou geração distribuída, quase todos modelos para as condições australianas) FOI MUITO BAIXA E ATÉ RUIM PARA OS CONSUMIDORES, MAS SÓ, REALMENTE, MUITO BOA PARA AS DISTRIBUIDORAS ECONOMIZAREM - SEM PERDAS E SEM CUSTOS COM TRANSMISSÃO – NAQUELES HORÁRIOS COM BEM MENOR DEMANDA RESIDENCIAL MAS COM ELEVADA INDUSTRIAL/ESCRITÓRIOS POR PREÇOS BEM MAIORES.
http://www.proceedings.scielo.br/pdf/agrener/n5v2/093.pdf
PROJETOS EXTERNOS -
(no Brasil de forma publica ou pela cátedra ainda não temos projetos, infelizmente, e apenas alguns estudos iniciais pela Univates-RS, Unipampa, USP/Poli, UFRGS, UFPE e Tiradentes) –
Locais, Grupos ou Centros de Pesquisas Responsáveis e alguns resultados já obtidos com os usos de tais calhas solares parabólicas PTC -
- Navygorod (Ucrânia) de 2016 a 2019 – Projeto considerado como muito mais barato do que via PV e com cerca de 360 calhas instaladas em 5,0 mil m2 de parque vizinho às residências consumidoras e para gerar 335 KWh (geração de 5,44 Kweq brutos e 0,91 KWh liquido por calha) por 12-14 horas/dia somente para aquecimento solar rápido de água quente entre 150º C e 220º C para produção de vapor a 110º C mais geração por pequena turbina tipo Tesla. Trata-se de Projeto do tipo DSG “Direct Stream Generation”, idealizado, mantido e patenteado pelo prof. Sergiy Yurko – Ex-professor da National Technical University of Ukraine.
Vide mais em: https://www.youtube.com/watch?v=RGJB8lO-YpQ&feature=youtu.be
2) Almeria (Espanha) – Projeto Instalado em Hotel Rural em 2012 e acompanhado pela Universidade de Almeria - São apenas 32 calhas parabólicas captadoras/concentradoras solares para aquecimento de água em média de 155º C – range de 145°C a 160°C (portanto, acima do ponto de vapor),- via calha solar PTC ainda apenas com água quente circulante e para aquecimento (quartos, piscina, cozinhas, lavanderias etc.) mais refrigeração, inversa, por chiller de absorção. As calhas foram instaladas em área de jardins com 2.048 m2, com radiante de 940 W/m2 e sob temperatura média ambiente de 31º C. São calhas não parabolóides (não ovais), ainda em alumínio e com 8,0 metros de comprimento e abertura de 1,0 metro cada. Mesmo com a ainda baixa eficiência acima apontada, foi possível garantir 76% do aquecimento demandado para eletricidade no inverno e 25% da refrigeração necessária no verão. Antes do sistema, o hotel consumia elevados 1.577 MWh/ano de energia elétrica (igual à média horária de 182 kWh, inclusive noturna), ampliando muito nos meses de inverno, sendo a maior parte para promover a refrigeração diária e parte do aquecimento. Os autores concluíram que o uso da energia solar via PTC já em 2012 (que hoje pode ser muito mais eficiente) já era uma boa solução.
Vide mais em:
“Dimensioning a small-sized PTC solar field for heating and cooling of a hotel in Almería (Spain)”
http://www.r744.com/files/1313_Dimensioning_a_small-sized_PTC.pdf
3) Almeria (Espanha) – Projeto Instalado desde março de 2013 no Aeroporto de Almeria, também implantado e acompanhado pela Universidade de Almeria (uma das maiores especializadas do Mundo nas capturas/estocagens de energia solar, eólica e das biomassas). O local tem baixíssima irradiância diária (DNI de apenas 850 w/m2 às 14 horas do dia). Trata-se de grande sistema captador/concentrador/gerador (com 8 linhas de calhas gigantes com largura na boca de 5,7 metros mais 12,3 m de comprimento cada, totalizando 96,0 m comprimento somente na linha) apenas com captura por calhas solares PTC ainda isoladas (não-hibridas com possível singaseificação rápida de lixos, fezes animais e humanas, restos alimentares etc. cfe. proponho em minhas patentes ainda somente para o Brasil), mas já pelo novo, moderníssimo e bem mais barato Sistema gerador DSG (usando água superaquecida como fluido térmico circulante – ainda não estocável - para produzir vapor, recuperável para água). Como resultado, o sistema gerou, em média, elevados 3,0 MWh com o fluxo de 1,0 kg/s = 60 kg/minuto = 3,6 ton./hora de vapor saturado às 14:00 horas (cfe visto na tese de mestrado pela Univ. Almeria com medições pelo modelo TRNSYS). As captações, e suas gerações, ocorreram, em média, por apenas 12 horas/dia das 06:00 h às 18:00 h com bom pico gerador constante das 08:00 as 15:00 h. Obviamente, as melhores gerações em tal aeroporto de Almeria foram às obtidas com vapor em mais altas temperaturas, chegando a 3,9 MWh com vapor a 200º C em 60 bar e com fluxo de 1,38 kg/s para tais 3,9 MWh (eficiência de 72%). Obs: Os fluxos temporais necessários de água quente, medidos e testados sob diferentes temperaturas e pressões para vapor neste projeto de Almeria são iguais aos baixos fluxos exigidos de apenas 20 gramas/minuto de água super quente para gerar 1,0 KWh, por sua vez igual a 1,2 kg/minuto e a 72,0 kg/hora, e que guardam total concordância com a quase mesma oferta prevista em nossas calhas PTC solares ovais duplas, em fase de construção e de aprovação de protótipo no Brasil.
Gráfico com irradiância solar média (DNI) mais fluxos horários de oferta de vapor mais de geração de eletricidade a cada hora do dia.
4) Trento (Itália) – Projeto para aquecimento e geração a partir de fluido térmico circulante, instalado em área urbana e implantado e acompanhado pelas Universidades de Trento e de Nápoles. Os responsáveis afirmaram que as calhas PTC para fluido térmico dominarão o mercado mundial de captura solar por já serem até 80% mais eficientes do que as plantas PV.
Vide em:
https://www.researchgate.net/publication/323137428_An_innovative_small-scale_prototype_plant_integrating_a_solar_dish_concentrator_with_a_molten_salt_storage_system
5) Quintana Ro e Temixco/Morelo (México) – 2012 – Projeto com calhas parabólicas para produção de água quente mais vapor com baixa entalpia para geração elétrica – implantado acompanhado por universidades autônomas e privadas do México. Tal projeto foi implantado em local com mediana irradiância de 865 w/m. Cada média calha parabólica PTC tinha tamanho médio e foi construída em folha de alumínio refletivo, com tracking diário leste-oeste e com comprimento de 4,88 m; ângulo de reflexão de 45 graus e média abertura na boca de 1,19 m, assim, igual a 5,8 m2 na boca. Tal calha mexicana, contudo, somente conseguiu aquecimento máximo de água a 110º C (acima do ponto de vapor) e, certamente, sem possibilitar uso vespertino/noturno, talvez por somente utilizar 01 tubo captador em cobre (a cerca de 80 cm da boca da calha) ou pela circulação muito rápida em tal tubo, bem ao contrario das calhas mais modernas, contendo de 06 a 12 tubos em cobre ou aço 304 na caixa-coletora térmica, adiante e central, e onde já se consegue produzir água até 220º C (vide projeto acima do prof. Sergiy Yurko na Ucrânia), desde que com fluxo máximo de 2,5-3,0 litros/minuto, ou fluido térmico circulante em até 370º C, desde que em fluxo máximo 1,5-2,5 litros/minuto. Assim, tal calha mexicana parece que objetivou mais obter/testar gerações com alto fluxo horário, mas ainda em menor temperatura (de 70º C a 100º C) e para menor uso diário (ao contrario dos dois mais modernos sistemas atuais termo-geradores: DSG com água para usar ou gerar por até 16 horas/dia ou Thermoflex com fluido térmico para usar ou gerar por até 24 horas/dia) e, para tanto, utilizou bomba impulsora ainda com média/alta RPM e obtendo um elevado fluxo interno e na saída de 4,0 litros/minuto com fluido ou 6,0 litros/minuto com água, fluxos esses controlados por válvula agulha especial e resistente à pressão e as temperatura, ambas elevadas.
Vide mais em: https://www.researchgate.net/publication/231711497_Design_construction_and_testing_of_a_parabolic_trough_solar_concentratorfor_hot_water_and_low_enthalpy_steam_generation
6) Badaling (China) – Projeto instalado em área rural e acompanhado pela Universidades chinesas e da Mongólia mais pela Academia de Ciências da China - “The Badaling 1MW Parabolic Trough Solar Thermal Power pilot plant”
Vide em: https://core.ac.uk/download/pdf/82779621.pdf)
7) Lahore (Paquistão) - Projeto com calhas parabólicas PTC para reaquecimento de fluido térmico para geração elétrica experimental (apenas 20 KWh), instalado em 2014 e acompanhado pela Universidade de Lahore - Segundo cientistas da Universidade descrita abaixo do Paquistão (País com alta tradição e resultados em pesquisas energéticas), os sistemas de coleta solar em parabólicas PTC com reaquecimentos continuados de fluidos térmicos (como nas nossas 2 patentes para calha parabólica dupla e diferenciada e para calha paraboloide dupla e diferenciada) são, comprovadamente, a melhor tecnologia para converter energia solar em eletricidade.
O trabalho de campo em 2014 a seguir é um dos poucos no Mundo que apresenta uma possível razão/correlação entre a oferta média de fluido térmico circulante em sistema de calha solar PTC e a produção final de vapor ou água quente para diversos fins. Na tabela 5 vê-se uma razão vapor/fluido de 12,2:1,00 kg, ou seja, a cada 1,0 kg de fluido térmico Therminol VP-I, reaquecido e circulante ou estocado a 340º C, consegue-se a produção de 12,2 kg de vapor energizável a 300º C e com pressão de 30 bar na turbina. Tal projeto foi implantado para bem determinar a funcionalidade de campo de calha solar PTC para geração elétrica e com simulações pelo sistema TRNSYS.
A irradiância solar neste projeto PTC para geração de 20 KWh em Lahore foi de 600,0 W/m2 (baixa e com absorção de 458,6 W/m2, ou seja, rendimento local de 78%). Cada grande calha coletora gigante tem 2,5 metros comprimento e 2,4 metros de largura, totalizando 6,0 m2; inclinada em ângulo de 90º C e com distancia focal de 0,6 metros (60 centímetros) até a sua caixa coletora. Já a caixa coletora solar também tem 2,5 metros de comprimento e com canos coletores com diâmetro de 11,1 mm (=7/16 pol., ou seja, muito fino). Como o campo total para gerar 20 KW - suficiente para eletrificar 65 residências classe média e 220 lares pobres no Brasil - tinha área total de 580 m2, mas com área útil coletora de 348 m2, foi necessário instalar cerca de 58 calhas de grande porte e com 6,0 m2 de coleta cada (cada uma captando e gerando apenas 0,344 watts, igual a 1/3 da geração ocorrida no projeto do prof. Sergiy na Ucrânia).
Destaque-se que tal projeto de 2014 ainda não era tão moderno e tão produtor térmico como as calhas PTC moderníssimas e duplas acima do prof. Sergiy Yurko (2017) e dos nossos futuros projetos no Brasil (minhas 3 patentes já solicitadas e em fase de construção e de testes de protótipos, todas com recursos próprios e nunca públicos), pois: 1) O material reflexivo e concentrador térmico não era o mais adequado (lâmina de aço inox SS 316). Hoje os mais usados e aprovados são o papel de alumínio de cozinha de diversos tipos; 2) Havia bem menor concentração térmica obtida na caixa coletora, devido à baixa irradiância média local ou pela menor distancia empregada (60 cm) entre a base da calha e da caixa coletora: 3) Utilizava-se apenas 01 (um) tubo coletor térmico para fluido e em aço, mas de baixo calibre (0,11 mm = 7/16 pol), ante 6 (seis) tubos de grosso calibre (¾ polegada) em aço e utilizados nas calhas do prof. Sergiy. Com isto, o fluido térmico passa muito rápido pela caixa captadora térmica arrastando pouco aquecimento ou se produz baixos volumes de fluido e apenas um pouco quente ou ele tem que passar por mais vezes no sistema até o alcance da temperatura ideal.
Vide mais detalhes em:
8) Madras (Índia) - Projeto com calhas parabólicas PTC para aquecimento de água, instalado em 2017 e acompanhado pela Universidade de Madras da Índia. Conforme diagnostico de campo em 2017 pela Universidade de Madras na Índia em projeto com 216 mini PTC - vide após -, produzindo vapor industrial até 60º C ou aquecimento interno até 90º C e tudo via água quente do tipo DSG, mas com apenas 01 tubo coletor, o fluxo Maximo de vapor em horário com maior irradiância diária foi de elevados 0,060 kg/s iguais a elevados 3,6 kg minuto ou 2.160 kg/hora por cada mini calha (em temperatura de 100º C e pressão de 20 bar). Tal oferta igual a 3,6 kg minuto de vapor por cada mini calha PTC com 1,0 metro de comprimento e apenas 01 tubo absorvedor com diâmetro de 2,20 cm (cerca de ¾ pol.) - convertida para 7,2 kg por nossa prevista calha já com pedido de patente - com 2,00 metros comprimento - fica muito acima de nossa oferta máxima prevista inicialmente de 1,5 kg minuto de vapor por cada de nossas calhas com 2,0 m comprimento e 6 tubos absorvedores com 3/4 pol. cada e também das calhas dos projetos de campo do prof. Sergiy Yurko na Ucrânia.
Vide mais em: https://repository.up.ac.za/bitstream/handle/2263/62318/Kumar_Thermo-hydraulic_2017.pdf?sequence=1
9) Kolhapur (Índia) - Projeto com calhas parabólicas PTC para aquecimento de água, instalado em 2018 e acompanhado pela Universidade Shivaji da Índia.
Vide mais em: https://www.ijream.org/papers/ICSGUPSTMAE004.pdf
10) Sharjah (Emirados Árabes) - Em 2015, um bom diagnostico pela Universidade de Sharjah dos Emirados Árabes sobre gerações elétricas diretas com água super quente para vapor (chamadas de gerações DSG “Direct Solar Generation”), não via fluidos, chegou às conclusões contidas no texto abaixo. Tal País, com elevada experiência em geração solar, sobretudo, em usinas gigantes captadoras de diversas formas, está construindo um conjunto gerador elétrico no deserto perto de Dubai para gerar 1,5 GWh, mas, tudo via reaquecimento de fluido térmico circulante e/ou estocável, estes para continuadas gerações noturnas ou em dias nublados). Principais conclusões: a) As produções de água quente por calha DSG em 6 projetos levantados foram elevadas e com grande fluxo (velocidade e não fluxo de massa) do vapor obtido já ao final, antes da turbina, entre 0,55 kg/s, ou seja, 33,00 kg/minuto (cerca de 1.900 kg/hora) e 0,62 kg/s, ou seja, de 37 kg/minuto (cerca de 2.200 kg/hora); b) Quanto maior era a irradiância solar local (entre 627 w/m2 e 766 w/m2 conforme os horários diários) mais elevada era a temperatura média do vapor obtido na saída dos tubos para geração, variando entre 315º C e 383º C; c) Cada calha parabólica testada para DSG tinha 4,88 m de comprimento; 1,19 m de abertura e refletia/concentrava em ângulo de 45º e para apenas 0,72 m (72 cm) de distancia até o ponto focal de captação térmica acima, aonde a absorção térmica chegava a 95%, mesmo percentual de reflexão obtido na parábola.
Vide mais em: https://aip.scitation.org/doi/pdf/10.1063/1.4949160
11) Sabratha City (Líbia) - Projeto com calhas parabólicas PTC para aquecimento de água, instalado em 2016 e acompanhado pelas Universidades da Líbia mais do Sudão.
Vide mais em: http://www.ijirset.com/upload/2016/september/65_24_Design_FORIEGN.pdf
12) Mumias (Quênia) – Tese de mestrado, baseada em Projeto com calhas parabólicas PTC, caseiras e de baixo custo, para aquecimento de ar até 110o C (para secagens de folhas de chá em indústria do Quênia - http://www.mumias-sugar.com ), com dados de 2014 e acompanhado pela Universidade de Nairóbi.
Vide mais em: