Utilização do software Tonatiuh para simulação de usinas de energia solar
concentrada (CSP) baseadas em tecnologia de torre central e sua aplicação
no agronegócio
Marcelo Lampkowski1, Odivaldo José Seraphim2
1
Departamento de Engenharia Rural, Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade
Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho" (UNESP), Botucatu, São Paulo, Brasil,
[email protected]
2
Departamento de Engenharia Rural, Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade
Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho" (UNESP), Botucatu, São Paulo, Brasil,
[email protected]
RESUMO
O presente trabalho apresenta parte dos resultados do projeto “Estudos de energia
heliotérmica (CSP – Concentrated Solar Power): consórcio educacional para integração e
sustentabilidade na agroindústria”, desenvolvido no ano de 2014 em parceria entre
instituições brasileiras e alemãs. Demonstra-se, neste estudo, a aplicação do software
Tonatiuh para simulação do funcionamento de uma usina CSP de torre central. Os inputs
utilizados foram baseados em dados reais de uma usina CSP que está sendo construída em
Caiçara do Rio do Vento/RN. Esta planta solar deverá fornecer energia elétrica e calor a
processos previamente definidos em um laticínio. Prevê-se uma capacidade de geração de 100
kW elétricos e potência térmica suficiente para processar a produção de 500 vacas leiteiras.
Observou-se que a ferramenta Tonatiuh ainda necessita de certo amadurecimento, mas que
mesmo assim pode ser considerada como uma boa opção de software a auxiliar projetos de
energia heliotérmica no Brasil, principalmente pelo fato de permitir o desenvolvimento
colaborativo, característica fundamental de projetos open source.
PALAVRAS-CHAVE: Energias renováveis, Fontes de energia, Sistema de informação,
Inovação.
ABSTRACT
This paper presents part of the results of a project named "Heliothermic energy studies (CSP):
educational consortium for integration and sustainability within the agro-industry", developed
in 2014 in partnership between Brazilian and German institutions. In this study, it is
demonstrated the application of Tonatiuh for simulating the operation of a CSP power tower
plant based on actual data from a CSP plant that is being built in Caiçara do Rio do Vento/
RN. This solar plant aims to provide electricity and heat to defined processes in a dairy. It is
expected a generating capacity of 100 kW and enough thermal power to process the
production of 500 dairy cows. It was concluded that Tonatiuh still needs to mature, but still
can be considered a good software to help solar thermal energy projects in Brazil, especially
because of the collaborative development, key feature of open source projects.
KEYWORDS: Renewable energy, Energy sources, Information systems, Innovation.
INTRODUÇÃO
A atividade de produção de energia, particularmente, da energia elétrica, ingressou no século
XXI em busca do desenvolvimento sustentável, conceito que alia a expansão da oferta,
consumo consciente, preservação do meio ambiente e melhoria da qualidade de vida. Trata-se
do desenvolvimento capaz de suprir as necessidades da geração atual, sem comprometer a
capacidade de atender as necessidades das futuras gerações. Assim, o desafio é reduzir o
impacto ambiental e, ao mesmo tempo, ser capaz de suportar o crescimento socioeconômico
do país em seus diversos segmentos, em especial na indústria e no agronegócio.
A possibilidade de redução na oferta de combustíveis convencionais aliada ao
crescimento da demanda por energia e a crescente preocupação com o meio ambiente
impulsionam a pesquisa e desenvolvimento de fontes alternativas de energia menos poluentes,
renováveis e que produzam menor impacto ambiental (MARTINS et al., 2003). Dentre estas
alternativas, destaca-se a energia solar, fonte disponível e passível de ser explorada a partir de
todas as suas potencialidades.
Goerck (2008) destaca que a energia solar constitui um recurso sobre a qual ainda não
foram impostas regras de domínio para uso e aproveitamento e que o incentivo ao uso da
mesma é passível de utilização e exploração se houver interesse dos meios público e privado
em seu desenvolvimento e implementação.
Sobre a capacidade de geração de energia elétrica, o Brasil possui, atualmente, 3.204
empreendimentos em operação, totalizando 129.071.437 kW de potência instalada (ANEEL,
2014). Em virtude dos fatores geográficos – o Brasil é o país com a maior capacidade mundial
de armazenamento de água – as hidrelétricas são hoje o mais importante recurso para a
produção de energia elétrica do país. Sua participação na matriz energética do Brasil abrange
cerca de 66%. As demais parcelas significativas estão vinculadas ao gás natural (11%) e à
biomassa (7%), conforme mostrado na figura 1, subseqüente. Apesar de as energias
renováveis desempenharem um papel importante no Brasil do ponto de vista da produção de
eletricidade, nota-se que a energia solar é pouco explorada. De acordo com dados do relatório
de fiscalização da Agência Nacional de Energia, atualizado em dezembro de 2012, a
capacidade instalada de energia solar no Brasil é de aproximadamente 7,5 MW, o que
representa apenas 0,01% da matriz energética do país. Esta estatística é contrastante em
relação à abundante disponibilidade de irradiação solar direta em nosso país, principalmente
na região Nordeste.
Figura 1 – Porcentagem de geração de eletricidade no Brasil em 2012.
Fonte: ROSE, 2012.
Atualmente, dispõe-se das seguintes vias tecnológicas de aproveitamento da energia
solar, sendo elas: a produção de energia térmica para aplicação residencial, comercial ou
industrial, e geração de energia elétrica utilizando placas fotovoltaicas para conversão direta
em energia elétrica ou através de tecnologias de Concentrated Solar Power (CSP), onde se
utilizam sistemas de concentração da radiação solar para obtenção de quantidades
significativas de fluido a altas temperaturas para aplicação em ciclos térmicos de potência
(CORGOZINHO; MARTINS NETO; CORGOZINHO, 2014).
Segundo a EPE (2012), a tecnologia CSP é baseada na utilização de superfícies
espelhadas que refletem e concentram a irradiação solar direta com o objetivo de convertê-la
em energia térmica, a partir da qual se gera vapor d’água que irá acionar um ciclo
termodinâmico reversível que converte calor em trabalho, conhecido como Rankine. As
tecnologias de energia solar concentrada envolvem as seguintes fases: coleta da radiação
solar; concentração da radiação num receptor sob forma de energia térmica; transporte da
energia térmica para o sistema de conversão de energia; conversão da energia térmica em
energia elétrica.
As principais configurações de usinas termossolares são os concentradores cilíndricoparabólicos (calhas), os concentradores Fresnel, os concentradores de prato parabólicos e os
arranjos de heliostatos, que redirecionam a luz solar a um receptor estacionário
(concentradores em torre). O primeiro tipo de tecnologia utiliza espelhos em forma de calhas
parabólicas (parabolic troughs) com absorvedor disposto na linha focal do coletor,
constituído geralmente de um tubo metálico revestido por uma camada de tinta seletiva e
envolto por um segundo tubo de vidro, cujo espaço entre os mesmos deve ser evacuado para
evitar perdas por convecção. O segundo tipo de tecnologia disponível é a tecnologia Fresnel,
que utiliza refletores lineares móveis para concentração da radiação em absorvedor linear
fixo. O terceiro tipo é constituído por pratos parabólicos (parabolic dishes), que são refletores
em formato de parabolóide, na maioria dos casos, com um grupo motor/gerador individual
para cada refletor localizado no ponto focal. Finalmente, o quarto tipo de tecnologia é a
chamada torre solar (solar tower), em que se utilizam milhares de espelhos para concentração
dos raios solares em um uma torre central fixa (CORGOZINHO; MARTINS NETO;
CORGOZINHO, 2014). A figura 2, a seguir, apresenta as principais configurações citadas.
Figura 2 – Quatro possíveis configurações de usinas termossolares.
Fonte: Adaptado de Energypedia, 2009.
A tecnologia CSP começou a ser desenvolvida na década de 1970. Porém, apenas na
década de 1980 é que surgiram as primeiras centrais, localizadas na Itália, Espanha, França e
Estados Unidos. Uma das principais vantagens da utilização da tecnologia CSP na geração de
energia elétrica é a utilização de uma forte inesgotável e limpa de energia, no caso: a radiação
solar. No Brasil, embora exista vasta disponibilidade de radiação solar em comparação aos
países citados anteriormente, o interesse pelo uso das tecnologias CSP na geração de energia
elétrica é recente.
Um dos fatores limitantes ao estabelecimento da tecnologia CSP no Brasil é a carência
de profissionais qualificados (mão-de-obra especializada) e de laboratórios especializados
para dar suporte ao seu desenvolvimento (GOERCK, 2008).
Mendes (2013) cita os seguintes desafios relacionados à adoção e implementação de
tecnologias baseadas em CSP em âmbito mundial, sendo estes voltados: à produção de
heliostatos; à produção de sistemas primários de concentração linear, parabólicos ou planos; à
produção de sistemas secundários de concentração linear e pontual; à produção de receptores
para sistemas de concentração linear e pontual; à produção do subsistema de armazenamento;
aos componentes mecânicos, elétricos e eletrônicos associados às centrais térmicas; à
produção do software de controle (subsistemas e sistema global); à engenharia associada ao
desenho, construção e manutenção de centrais térmicas.
Considerando a afirmação de Mendes (2103) sobre a necessidade de produção de
ferramentas computacionais para auxílio na adoção e implementação de usinas CSP, este
trabalho objetiva demonstrar a aplicação do software Tonatiuh na simulação do
funcionamento de uma usina CSP de torre central. A análise de modelos numéricos e
algoritmos computacionais já existentes é um passo importante para o desenvolvimento de
novas aplicações.
Das quatro atividades e/ou fases de um sistema baseado em tecnologia CSP, focou-se na
primeira delas: a coleta da radiação solar pelos heliostatos e seu direcionamento ao receptor
central posicionado no alto da torre.
Este estudou é parte integrante dos resultados finais de um projeto intitulado “Estudos
de energia heliotérmica (CSP – Concentrated Solar Power): consórcio educacional para
integração e sustentabilidade na agroindústria”, desenvolvido no ano de 2014 em parceria
entre instituições brasileiras e alemãs. O projeto baseou-se na idéia da aplicação eficiente de
energia no meio rural e do estímulo ao uso de fontes alternativas renováveis, sem prejuízo de
qualidade e de produtividade, bem como a diminuição de custos do produto final e a evolução
tecnológica na agroindústria. Pretende-se, assim, o uso de centrais de energia solar de alta
temperatura com a integração e sustentabilidade na agroindústria, através da energização rural
e a sua inclusão na estrutura da matriz energética brasileira.
Espera-se que os resultados e as reflexões feitas no final do trabalho contribuam para o
avanço do conhecimento sobre o tema.
MATERIAL E MÉTODOS
Considerando que este trabalho objetiva a demonstração do funcionamento de um
software específico e uma breve análise sobre sua contribuição a projetos no qual possa ser
envolvido, classifica-se este estudo como descritivo quanto ao objetivo e com abordagem
qualitativa em relação ao método empregado, pois o mesmo compreendeu um conjunto de
técnicas interpretativas visando a descrição os componentes de um sistema complexo de
significados. Optou-se pelo processo de problematização – objeto e contexto – e não por um
processo instrumental estatístico como base do para análise do objeto de pesquisa.
Sobre os softwares existentes para a simulação de usinas CSP, Eustáquio (2011)
classifica-os em dois grupos: modelos de sistemas e modelos de processos. Os modelos de
sistema simulam todo o sistema e são utilizados para avaliar o desempenho global, como, por
exemplo, o custo da energia ou a potência nominal. Estes modelos dependem de dados de
entrada de outros modelos com processos mais detalhados que fornecem informações acerca
do desempenho individual de componentes dentro do sistema total. Os modelos de processo
exigem parâmetros de entrada como, por exemplo, dados sobre geometria, radiação solar,
refletividade, temperatura, entre outros e distribuições (para análises de incerteza e
sensibilidade) que são adquiridos através de diversos meios, tais como testes, literatura,
pesquisa e/ou experiência profissional.
Por meio de uma pesquisa bibliográfica sobre softwares e algoritmos computacionais
relacionados à simulação de usinas CSP, foi possível apurar a existência das seguintes
ferramentas: DELSOL/WINDELSOL; SOLAR ADVISOR MODEL (SAM); SOLERGY;
TRNSYS; ADVANCED SYSTEMS ANALYSIS PROGRAM (ASAP); HELIOS; MIRVAL;
SOLTRACE; SPRAY; TONATIUH; STRAL; TIESOL; ISOS; HFLCAL; CRS4; HFLD;
BIOMIMETIC; SOLCAL; FIAT LUX; GREENIUS; EBSSOLAR.
Tonatiuh é um programa de computador baseado no método estatístico Monte Carlo que
simula a projeção de raios solares em um determinado empreendimento, podendo ser
aplicado, assim, para entender o comportamento óptico e energético de sistemas baseados na
tecnologia CSP. Com o objetivo de auxiliar no design e análise destes sistemas e explorar
novos conceitos, o software encontra-se em desenvolvimento sob a responsabilidade do
Centro Nacional de Energías Renovables (CENER), na Espanha.
A opção pela utilização do software Tonatiuh deu-se pelo seguinte conjunto de fatores:
a) Possibilidade de trabalhar com várias formas geométricas para modelagem das
superfícies refletoras e dos receptores;
b) Ser uma ferramenta gratuita e de código-aberto (open source) e multiplataforma;
c) Pelo objetivo de seus desenvolvedores em torná-lo uma ferramentas sofisticada para
design, otimização e análise das mais diversas tecnologias CSP, incluindo torre central,
pratos parabólicos e cilindros parabólicos.
d) Pela facilidade em visualizar as instalações modeladas em 3D.
Os dados de entrada utilizados basearam-se no projeto de uma usina CSP de torre
central que está sendo construída na cidade de Caiçara do Rio do Vento/RN (latitude: -5.76°;
longitude: -36°; altitude: 175 m). Trata-se de um projeto intitulado SMILE – Sistemas de
microturbina solar-híbrida para cogeração de eletricidade e calor para o setor agroindustrial –
que objetiva a geração de 100 kW elétricos e potência térmica suficiente para processar a
produção de 500 vacas leiteiras em um laticínio. Os dados sobre a altura da torre (23 metros
de altura e 7 x 3 metros de largura) e sobre o dimensionamento e extensões dos heliostatos
(superfícies refletoras de 3,21 metros de largura x 2,5 metros de largura instaladas à 1,65
metros do chão) foram disponibilizados pelos participantes do projeto: Solinova Inovação
Tecnológica e Empresarial Ltda.; Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR); e
Faculdade de Zootecnia e Engenharia de Alimentos da Universidade de São Paulo (FZEA
USP), campus Pirassununga.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Tonatiuh trabalha, basicamente, com cenários (scenes) e nós (nodes). Uma cena consiste em
um ou mais nós hierarquicamente ordenados. Um nó é cada um dos elementos componentes
de uma cena que contém parâmetros de entrada e métodos para definição de propriedades
geométricas, tipo de material e sua função no sistema a ser simulado.
Existe a opção de usar um editor (script editor) pata desenvolver o código relacionado à
estruturação do campo de heliostatos, torre central e o receptor. Os comandos (que são
procedimentos elaborados em C++ onde se insere os parâmetros de entrada) utilizados para a
criação da usina de Caiçara do Rio do Vento a ser simulada estão resumidos na Tabela 1.
Tabela 1 – Funções/Comandos utilizados no script desenvolvido para geração da planta CSP simulada.
Função/Comando
Explicação
CreateGroupNode()
CreateMaterial()
CreateShape(QStringshapeType)
Cria um nó separador
Cria a superfície de um material
Cria uma nova forma geométrica (cone, cilindro, esfera, entre outros)
CreateSurfaceNode()
CreateTracker(QStringtrackerType)
SelectNode(QStringnodeURL):
SetNodeName(QStringnodeName)
SetValue(QStringnodeURL,QString
parameter, QString value)
Cria um nó do tipo TShapeKit
Cria um novo “tracker”; dispositivo de rastreamento solar
Seleciona um determina nó
Altera o nome do nó selecionado
Atribui ao nó selecionado o valor de um dado parâmetro
A tabela 2, a seguir, apresenta parte do código desenvolvido, onde cria-se um grupo de
nós intitulado “Heliostat Field” que representará o campo de heliostatos e, posteriormente, o
script de criação de um heliostato, posicionado nas coordenadas x = -metros 6; y = 1,65
metros e z = 0 metros, considerando um campo localizado no hemisfério Sul, com eixo x para
o Oeste, eixo y para o Sul e eixo z sendo a vertical a partir da abertura do receptor, que
comumente fica localizada em x = 0; y = 0 e z =0. Nota-se que, por questão de compilação de
conteúdo, apenas o script para elaboração de um heliostato é mostrado. No projeto da usina
em questão, são 47, no total.
Tabela 2 – Exemplo de script para criação de um heliostato no Tonatiuh.
//SCRIPT TO CREATE THE HELIOSTAT FIELD
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General");
tonatiuh.CreateGroupNode();
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/TSeparatorKit1");
tonatiuh.SetNodeName("HeliostatField");
//HELIOSTAT 01
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField");
tonatiuh.CreateGroupNode();
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/TSeparatorKit1");
tonatiuh.SetNodeName("Heliostat001_Frame");
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame");
tonatiuh.SetValue("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame","translation","-6
1.65
0");
tonatiuh.CreateGroupNode();
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/TSeparatorKit1");
tonatiuh.SetNodeName("Heliostat");
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat");
tonatiuh.CreateTracker("Heliostat_tracker");
tonatiuh.SetValue("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_tracke
r","aimingPoint","0 25 0");
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat");
tonatiuh.CreateSurfaceNode();
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/TShapeKit1")
;
tonatiuh.SetNodeName("Heliostat_Shapekit");
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_Sha
pekit");
tonatiuh.CreateShape("Spherical_rectangle");
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_Sha
pekit/Spherical_rectangle");
tonatiuh.SetNodeName("Facet_Geometry");
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_Sha
pekit/Facet_Geometry");
tonatiuh.SetValue("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_Shape
kit/Facet_Geometry","widthX","3.21");
tonatiuh.SetValue("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_Shape
kit/Facet_Geometry","radius","300");
tonatiuh.SetValue("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_Shape
kit/Facet_Geometry","widthZ","2.5");
tonatiuh.SetValue("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_Shape
kit/Facet_Geometry","activeSide","INSIDE");
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_Sha
pekit");
tonatiuh.CreateMaterial("Specular_Standard_Material");
tonatiuh.SelectNode("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_Sha
pekit/Specular_Standard_Material");
tonatiuh.SetValue("//SunNode/RootNode/General/HeliostatField/Heliostat001_Frame/Heliostat/Heliostat_Shape
kit/Specular_Standard_Material","m_reflectivity","1");
A Figura 3, a seguir, apresenta diferentes visões em três dimensões (3D) do campo de
heliostatos, torre central e receptor cilíndrico, após a execução do script completo.
Figura 3 – Modelagem 3D da usina termosolar de Caiçara do Rio do Vento/RN
Fonte: Elaborada pelo autor.
Uma vez que todo o sistema está modelado, o Tonatiuh possibilita a simulação de seu
comportamento óptico sob diferentes condições solares, variando de acordo com a posição do
Sol no céu num determinado momento e quantidade de radiação solar direta incidente no
sistema. A figura 4, a seguir, mostra o resultado de simulação do comportamento óptico e
energético do sistema considerando a latitude a a longitude da cidade de Caiçara do Rio do
Vento/RN, a data definida como 21 de junho (solstício de inverno no hemisfério Sul) e o
horário como uma hora da tarde (13 horas ou 1 PM). Optou-se por uma irradiância simulada
de 920 W/m2 e a apresentação de um milhão de raios solares.
Figura 4 – Apresentação em 3D do comportamento óptico do sistema simulado.
Fonte: Elaborada pelo autor.
O software Tonatiuh não possui nenhum tipo de ferramentas de pós-processamento.
Não é disponibilizado um analisador dos resultados da simulação óptica. Para tal, é necessário
o uso de aplicações externas, tais como Mathematica, MATLAB ou R.
CONCLUSÕES
Tonatiuh pode ser considerada uma boa opção para ser usado em projetos brasileiros
relacionados às tecnologias CSP. O fato de ser uma aplicação de código aberto representa
uma enorme vantagem neste caso: sua construção é disponível ao público em geral e o código
fonte pode ser acessado para modificação ou aperfeiçoamento por qualquer pessoa.
Programadores com conhecimento em C++ podem melhorar a ferramenta, adicionando
recursos ou corrigindo funcionalidades que eventualmente não funcionarem corretamente. O
ambiente colaborativo apresentado, incluindo fóruns de discussão, tutoriais e ferramentas wiki
é importante neste tipo de projeto open source.
Atualmente, o Tonatiuh é simplesmente uma ferramenta de ray tracing, mas novos
recursos eventualmente serão implementados e agregados ao software. É possível que as
análises que são feitas hoje usando aplicações externas como Mathematica ou R possam ser
desenvolvidas e adicionadas ao programa.
Em resumo, apesar de ele ainda precisa amadurecer, mostra uma boa interface,
usabilidade considerável e boa capacidade de expansão.
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