07-Concentradores

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CONCENTRADORES 
SOLARES
Prof. Paulo Cesar C. Pinheiro
Dept. Engenharia Mecânica da UFMG
Setembro 2011
Introdução
Utilizados quando são necessárias altas temperaturas
A energia Solar que atinge uma grande superfície é refletida sobre uma 
pequena área. A superfície que absorve a energia concentrada é menor 
que a superfície de captação, e assim atinge altas temperaturas.
A maioria dos concentradores só concentram a radiação direta, e por 
isto devem acompanhar o movimento do sol no céu. 
Tipos básicos de Concentradores Solares:
Cilíndrico Parabólico
Disco Parabólico
Receptor Central (Heliostato)
Lente Fresnel
Introdução
São equipamentos concentram para a área do absorvedor (Ar) a radiação solar que 
incide numa área de captação (Aa), maior que a do absorvedor.
São classificados segundo sua forma geométrica, rastreamento, fator de concentração 
FC = (Aa/Ar).
Quanto maior o FC maior será a temperatura que o absorvedor pode atingir e maior o 
rendimento termodinâmico da conversão.
O fluido de trabalho aquecido no absorvedor pode ser utilizado para gerar vapor e 
eletricidade.
Mouchot
Augustin Mouchot (1825-1912) começou a pesquisar novas fontes de 
energia acreditando que o carvão poderia eventualmente acabar. Em 
1860 começou a estudar fogões solares.
Em 1861, projetou e patenteou a primeira máquina a gerar eletricidade 
com energia solar. Fez várias exposições desta máquina.
Em 1866 desenvolveu o primeiro concentrador parabólico. Este protótipo 
foi desenvolvido e aumentado de tamanho. 
Autor do livro: La Chaleur Solaire et ses Applications Industrielles (1869), 
considerado o primeiro livro sobre energia solar.
A melhoria do sistema de transporte abaixou o preço do carvão, e 
diminuiu o interesse na pesquisa de energias renováveis.
Mouchot
Em 1878 apresentou na exposição mundial seu mecanismo, e ganhou a 
medalha de ouro. O mecanismo possuía um espelho de diâmetro 4 m, e 
uma caldeira de 80 L, gerando vapor a 7 atm, e acionando uma 
máquina a vapor que acionava uma máquina de gelo.
Centrais Térmicas com Concentrador Solar
Sistema de canal 
parabólico 
Sistema de torres de 
potência
Sistema de Disco
parabólico
• 80 kW por cada 
sistema de canal
• De 50 a 200 MW
por cada sistema
• Até 5 MW em
projetos modulares
• Maior eficiência
• Diminução dos
custos da energia em
grandes projetos
• Melhoras na
transferência de calor 
e na capacidade de 
armazenar energía
• Uso de celulas
fotovoltaicas de alta 
eficiência nos
receptores
Potências
Atuais
Principais
Avanços
Concentrador Cilíndrico Parabólico
O concentrador Cilíndrico parabólico concentra a radiação solar 
incidente sobre uma linha que percorre todo o comprimento do 
concentrador. Um tubo (receptor) que transporta o fluido térmico é
colocado ao longo desta linha de foco, absorvendo a radiação 
concentrada e aquecendo o fluido.
Uma vez que a superfície do tubo é pequena comparada com a área 
de captura (abertura). A temperatura máxima pode atingir 750oC com 
FC = 100. O limite teórico do FC = 212. Normalmente a temperatura 
operacional se encontra na faixa de 300-400oC sem grandes perdas. 
Ele deve acompanhar o movimento do sol em 1 eixo.
Concentrador Cilíndrico Parabólico
http://www.jc-solarhomes.com/solar_heating.htm
Concentrador Cilíndrico Parabólico
Planta Termoelétrica Solar Kramer Junction, California
Concentrador Cilíndrico Parabólico
Coletor Cilíndrico Parabólico com rastreamento em 1 eixo
Layout de uma Central Solar Térmica Concentrador Disco Parabólico
O Concentrador de disco parabólico concentra a radiação incidente 
sobre um foco pontual. O FC varia de 10 a 10.000, sendo o limite
teórico 45.000.
Uma cavidade isolada contendo tubos ou outro dispositivo de 
transmissão de calor, é colocado no foco, absorvendo a radiação 
concentrada e transferindo-a para um gás que atinge temperaturas T 
> 700oC.
Um motor Stirling montado atrás do absorvedor gera eletricidade
Os Discos Parabólicos devem ter acompanhamento em 2 eixos.
Concentrador Disco Parabólico
Coletor Disco Parabólico de 9 kWe com motores Stirling no foco.
Sistema de acompanhamento em 2 eixos
Concentrador Disco Parabólico
Concentrador de Disco Parabólico com Motor Stirling utilizado 
em 2 instalações de >300MW na Califórnia
Heliostato ou Sistema Receptor Central
Um Heliostato ou Sistema de Receptor Central consiste em um 
campo de espelhos planos móveis, independentes, que 
acompanham o sol e concentram a radiação sobre um receptor 
localizado no topo de uma torre. 
Cada heliostato se move em 2 eixos ao longo do dia, e mantém a 
imagem do sol focada no receptor no topo da torre. 
O receptor é normalmente um banco de tubos verticais, é aquecido 
pela radiação refletida dos espelhos, aquecendo o fluido que passa 
pelos tubos.
Atingem altos FC, que depende do número e distribuição física dos 
heliostatos.
Heliostato ou Sistema Receptor Central
Central Solar, Barstow, CA, 1988
10 MWe Daggett, California
Solar One 10 MWe
1.818 heliostatos de 39,1 m2
Ciclo Rankine água/vapor
1996 -> Solar Two
Concentrador Fresnel
O concentrador com lentes Fresnel, utiliza a refração para 
concentrar a energia solar incidente sobre a superfície das lentes 
em 1 ponto. Estas lentes são normalmente construídas de plástico 
moldado e são utilizadas em concentradores fotovoltaicos.
Seu uso não é para aumentar a temperatura, mas para possibilitar 
o uso de células fotovoltaicas de alta eficiência.
Tal como os discos parabólicos, as lentes Fresnel devem ter 
rastreamento em 2 Eixos.
Concentrador Solar Fresnel para geração fotovoltaica
Concentrador Fresnel
Concentrador Fresnel
SunCube™ Mark 4 - Gerador Fotovoltaico com Concentrador Fresnel
Potencial de Termoelétricas com Concentradores
O rendimento do ciclo 
termodinâmico vai depender da 
temperatura atingida no 
absorvedor (Tr), que por sua 
vez depende do FC do 
concentrador.
A Tr determina o ciclo térmico 
adequado para o maior 
rendimento Térmico
O rendimento global do sistema 
depende do rendimento térmico 
e da eficiência ótica do 
absorvedor/refletor.
Rota Tecnológica para os Concentradores Bibliografia
Solar Energy System Design
http://www.powerfromthesun.net/chapter1/Chapter1.htm
Stirling
Em 27 Setembro 1816, Robert 
Stirling applied for a patent for his
Economiser at the Chancery in 
Edinburgh, Scotland. By trade, 
Robert Stirling was actually a 
minister in the Church of Scotland
and he continued to give services
until he was eighty-six years old. 
But, in his spare time, he built heat
engines in his home workshop. 
Lord Kelvin used one of the
working models during some of his
university classes.
In 1850 the simple and elegant dynamics of the engine were first explained
by Professor McQuorne Rankine. Approximately one hundred years later, 
the term "Stirling engine" was coined by Rolf Meijer in order to describe all
types of closed cycle regenerative gas engines.
Stirling
Today, Stirling engines are used in some very specialized applications, like in 
submarines or auxiliary power generators, where quiet operation is important. 
Stirling engines are unique heat engines because their theoretical efficiency is 
nearly equal to their theoretical maximum efficiency, known as the Carnot 
Cycle efficiency. Stirling engines are powered by the expansion of a gas when
heated, followed by the compression of the gas when cooled. The Stirling
engine contains a fixed amount of gas which is transferred back and forth
between a "cold" and and a "hot" end. The "displacer piston" moves the gas
between the two ends and the "power piston " changes the internal volume as 
the gas expands and contracts.
The gasses used inside a Stirling engine never leave the engine. There are no 
exhaust valves that vent high-pressure gasses, as in a gasoline or diesel 
engine, and there are no explosions taking place. Because of this, Stirling
engines are very quiet. The Stirling cycle uses an external heat source, which
could be anything from gasoline to solar energy to the heat produced bydecaying plants. No combustion takes place inside the cylinders of the engine.
Stirling
Motor Stirling Automotivo
Stirling
The SES Solar Dish Stirling
technology is well beyond the
research and development stage, 
with more than 20 years of
recorded operating history. The
equipment is well characterized
with over 25,000 hours of on-sun
time. Since 1984, the
Company's solar dish Stirling
equipment has held the world's 
efficiency record for converting
solar energy into grid-quality
electricity. SES has teamed with
the U.S. Department of Energy
and Sun-Labs (NREL and Sandia 
National Laboratories) to 
endurance test and 
commercialize the SES solar 
Stirling system.