Usinas Solares: Tipos Componentes e Princípios de Funcionamento

As plantas solares são sistemas que usam energia solar para gerar eletricidade. Elas podem ser classificadas em dois tipos principais: plantas solares fotovoltaicas (PV) e plantas de energia solar concentrada (CSP). As plantas solares fotovoltaicas convertem a luz solar diretamente em eletricidade usando células solares, enquanto as plantas de energia solar concentrada usam espelhos ou lentes para concentrar a luz solar e aquecer um fluido que impulsiona uma turbina ou motor. Neste artigo, explicaremos os componentes, layout e operação de ambos os tipos de plantas solares, bem como suas vantagens e desvantagens.

O que é uma Planta Solar Fotovoltaica?

Uma planta solar fotovoltaica é um sistema PV de grande escala conectado à rede e projetado para produzir eletricidade em massa a partir da radiação solar. Uma planta solar fotovoltaica consiste em vários componentes, tais como:

• Módulos solares: Estes são as unidades básicas de um sistema PV. Eles são compostos por células solares que convertem a luz em eletricidade. As células solares são geralmente feitas de silício, que é um material semicondutor capaz de absorver fótons e liberar elétrons. Os elétrons fluem pelo circuito e criam uma corrente elétrica. Os módulos solares podem ser organizados em diferentes configurações, como série, paralelo ou série-paralelo, dependendo dos requisitos de tensão e corrente do sistema.

• Estruturas de montagem: Estas são as estruturas ou racks que suportam e orientam os módulos solares. Elas podem ser fixas ou ajustáveis, dependendo da localização e clima do local. As estruturas de montagem fixas são mais baratas e simples, mas não rastreiam o movimento do sol e podem reduzir a produção do sistema. As estruturas de montagem ajustáveis podem inclinar ou girar os módulos solares para seguir a posição do sol e otimizar a produção de energia. Elas podem ser manuais ou automáticas, dependendo do grau de controle e precisão necessário.

• Inversores: Estes são dispositivos que convertem a corrente contínua (CC) produzida pelos módulos solares em corrente alternada (CA) que pode ser alimentada na rede ou usada por cargas CA.

  

• Os inversores podem ser classificados em dois tipos: inversores centrais e microinversores. Os inversores centrais são unidades grandes que conectam vários módulos solares ou arrays e fornecem uma única saída de CA. Os microinversores são unidades pequenas que se conectam a cada módulo solar ou painel e fornecem saídas individuais de CA. Os inversores centrais são mais econômicos e eficientes para sistemas de grande escala, enquanto os microinversores são mais flexíveis e confiáveis para sistemas de pequena escala.

• Controladores de carga: Estes são dispositivos que regulam a tensão e a corrente dos módulos solares ou arrays para evitar sobrecarga ou descarga excessiva das baterias. Os controladores de carga podem ser classificados em dois tipos: controladores de modulação de largura de pulso (PWM) e controladores de rastreamento do ponto de potência máxima (MPPT). Os controladores PWM são mais simples e baratos, mas desperdiçam alguma energia ao ligar e desligar a corrente de carga. Os controladores MPPT são mais complexos e caros, mas otimizam a saída de energia ajustando a tensão e a corrente para corresponder ao ponto de potência máxima dos módulos solares ou arrays.

• Baterias: Estes são dispositivos que armazenam eletricidade excedente gerada pelos módulos solares ou arrays para uso posterior quando não há luz solar ou quando a rede está fora de funcionamento. As baterias podem ser classificadas em dois tipos: baterias de chumbo-ácido e baterias de íon-lítio. As baterias de chumbo-ácido são mais baratas e amplamente utilizadas, mas têm densidade de energia menor, vida útil mais curta e requerem mais manutenção. As baterias de íon-lítio são mais caras e menos comuns, mas têm maior densidade de energia, vida útil mais longa e requerem menos manutenção.

• Interruptores: Estes são dispositivos que conectam ou desconectam diferentes partes do sistema, como módulos solares, inversores, baterias, cargas ou redes. Os interruptores podem ser manuais ou automáticos, dependendo do nível de segurança e controle necessário. Os interruptores manuais exigem intervenção humana para operá-los, enquanto os interruptores automáticos operam com base em condições ou sinais pré-definidos.

• Medidores: Estes são dispositivos que medem e exibem vários parâmetros do sistema, como tensão, corrente, potência, energia, temperatura ou irradiância. Os medidores podem ser analógicos ou digitais, dependendo do tipo de exibição e precisão necessária. Os medidores analógicos usam agulhas ou mostradores para mostrar valores, enquanto os medidores digitais usam números ou gráficos para mostrar valores.

• Cabos: Estes são fios que transmitem eletricidade entre diferentes componentes do sistema. Os cabos podem ser classificados em dois tipos: cabos CC e cabos CA. Os cabos CC transportam corrente contínua dos módulos solares para os inversores ou baterias, enquanto os cabos CA transportam corrente alternada dos inversores para a rede ou cargas.

O layout de uma planta solar fotovoltaica depende de vários fatores, como condições do local, tamanho do sistema, objetivos de design e requisitos da rede. No entanto, um layout típico consiste em três partes principais: parte de geração, parte de transmissão e parte de distribuição.

A parte de geração inclui módulos solares, estruturas de montagem e inversores que produzem eletricidade a partir da luz solar.

A parte de transmissão inclui os cabos, interruptores e medidores que transmitem eletricidade da parte de geração para a parte de distribuição.

A parte de distribuição inclui as baterias, controladores de carga e cargas que armazenam ou consomem eletricidade.

O seguinte diagrama mostra um exemplo de layout de uma planta solar fotovoltaica:

A operação de uma planta solar fotovoltaica depende de vários fatores, como condições climáticas, demanda de carga e status da rede. No entanto, uma operação típica consiste em três modos principais: modo de carga, modo de descarga e modo de conexão à rede.

O modo de carga ocorre quando há excesso de luz solar e baixa demanda de carga. Neste modo, os módulos solares geram mais eletricidade do que é necessário pelas cargas. A eletricidade excedente é usada para carregar as baterias através dos controladores de carga.

O modo de descarga ocorre quando não há luz solar ou alta demanda de carga. Neste modo, os módulos solares geram menos eletricidade do que é necessário pelas cargas. A eletricidade deficitária é fornecida pelas baterias através dos inversores.

O modo de conexão à rede ocorre quando há disponibilidade de rede e tarifas favoráveis. Neste modo, os módulos solares geram eletricidade que pode ser alimentada na rede através dos inversores.

O modo de conexão à rede também pode ocorrer quando há uma interrupção na rede e é necessária energia de backup. Neste modo, os módulos solares geram eletricidade que pode ser usada pelas cargas através dos inversores.

O que é uma Planta de Energia Solar Concentrada?

Uma planta de energia solar concentrada é um sistema CSP de grande escala que usa espelhos ou lentes para concentrar a luz solar em um receptor que aquece um fluido que impulsiona uma turbina ou motor para gerar eletricidade. Uma planta de energia solar concentrada consiste em vários componentes, tais como:

• Coletadores: Estes são dispositivos que refletem ou refratam a luz solar em um receptor. Os coletores podem ser classificados em quatro tipos: tubos parabólicos, pratos parabólicos, refletores Fresnel lineares e receptores centrais. Os tubos parabólicos são espelhos curvos que focalizam a luz solar em um tubo receptor linear que corre ao longo de sua linha focal. Os pratos parabólicos são espelhos côncavos que focalizam a luz solar em um receptor pontual em seu ponto focal. Os refletores Fresnel lineares são espelhos planos que refletem a luz solar em um tubo receptor linear acima deles. Os receptores centrais são torres cercadas por uma matriz de espelhos planos chamados helióstatos que refletem a luz solar em um receptor pontual no topo.

• Receptores: Estes são dispositivos que absorvem a luz solar concentrada e transferem a energia para um fluido de transferência de calor (HTF). Os receptores podem ser classificados em dois tipos: receptores externos e internos. Os receptores externos estão expostos à atmosfera e têm perdas de calor elevadas devido à convecção e radiação. Os receptores internos estão encerrados em uma câmara a vácuo e têm perdas de calor baixas devido à isolamento e evacuação.

• Fluidos de transferência de calor: Estes são fluidos que circulam pelos receptores e transportam calor dos coletores para o bloco de energia. Os fluidos de transferência de calor podem ser classificados em dois tipos: fluidos térmicos e sais fundidos. Os fluidos térmicos são líquidos orgânicos, como óleos sintéticos ou hidrocarbonetos, que têm pontos de ebulição elevados e pontos de congelamento baixos. Os sais fundidos são compostos inorgânicos, como nitrato de sódio ou nitrato de potássio, que têm alta capacidade de calor e baixa pressão de vapor.

• Bloco de energia: Este é o local onde a eletricidade é gerada a partir do calor usando uma turbina ou motor acoplado a um gerador. O bloco de energia pode ser classificado em dois tipos: ciclo de vapor e ciclo Brayton. O ciclo de vapor usa água como HTF e produz vapor que impulsiona uma turbina a vapor conectada a um gerador elétrico. O ciclo Brayton usa ar como HTF e produz ar quente que impulsiona uma turbina a gás conectada a um gerador elétrico.

• Sistema de armazenamento: Este é o local onde o calor excedente é armazenado para uso posterior quando não há luz solar ou quando há alta demanda de carga. Os sistemas de armazenamento podem ser classificados em dois tipos: armazenamento de calor sensível e armazenamento de calor latente. O armazenamento de calor sensível usa materiais, como rochas, água ou sais fundidos, que armazenam calor aumentando sua temperatura sem mudar sua fase. O armazenamento de calor latente usa materiais, como materiais de mudança de fase (PCM) ou materiais termoquímicos (TCM), que armazenam calor mudando sua fase ou estado químico sem mudar sua temperatura.

O layout de uma planta de energia solar concentrada depende de vários fatores, como condições do local, tamanho do sistema, objetivos de design e requisitos da rede. No entanto, um layout típico consiste em três partes principais: campo de coleta, bloco de energia e sistema de armazenamento.

O campo de coleta inclui os coletores, receptores e HTFs que coletam e transportam calor da luz solar.

O bloco de energia inclui as turbinas, motores,

geradores e outros equipamentos que convertem calor em eletricidade.

O sistema de armazenamento inclui tanques, recipientes e outros dispositivos que armazenam calor para uso posterior.