Impact of solar intermittency on a small-scale concentrated solar power plant in Brazil

Abstract

A tecnologia de energia solar concentrada emerge como uma solução promissora para converter a energia solar em energia térmica, principalmente para geração de eletricidade. Seu princípio de funcionamento consiste na absorção da radiação solar por um fluido de transferência de calor, que transporta e transfere o calor para um motor térmico, como uma turbina a gás, para então gerar eletricidade por meio de um gerador elétrico. Os Coletores de Calha Parabólica estão entre as tecnologias de usinas de energia solar mais utilizadas em todo o mundo. Eles operam em uma faixa de temperatura de 180 a 500°C, com diferentes tipos de fluidos de trabalho, alcançando uma eficiência elétrica solar anual de aproximadamente 10-20%. Um dos principais desafios enfrentados pelas usinas de energia solar concentrada é a intermitência solar devido à presença de nuvens. Essas nuvens se interpõem entre o sol e os coletores, projetando sombras nos espelhos e interrompendo a absorção da radiação solar direta. Neste trabalho, um modelo térmico de tecnologia de Coletores de Calha Parabólica combinado com um Ciclo Rankine Orgânico, com e sem armazenamento de energia, foi implementado. O Índice de Irradiação Normal Direta e outros dados climatológicos de três cidades diferentes do Brasil foram fornecidos pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Com o apoio desses dados, foi possível realizar um estudo de caso de uma usina de energia solar operando em nestas regiões durante diferentes cenários climatológicos. O objetivo desse estudo é compreender a viabilidade de instalar nessas regiões uma usina de energia solar com base na disponibilidade de Irradiação Normal Direta e na intermitência solar. Petrolina, Florianópolis e Brasília foram as cidades selecionadas para análise no modelo térmico. Devido às peculiaridades de cada região, algumas cidades, como Brasília, apresentaram bom desempenho para a implementação da tecnologia de energia solar concentrada durante todo o ano. Florianópolis possui baixos valores de radiação solar direta durante o inverno, o que limita seu potencial energético. No caso do dia selecionado para Petrolina, há uma alta frequência de nuvens Cumulus durante todo o ano, o que resulta em uma eficiência muito baixa para uma usina de energia solar. O modelo térmico foi utilizado para analisar uma usina de energia solar de pequeno porte operando primeiramente sem acumuladores de energia, e posteriormente, um acumulador de energia foi implementado para atenuar os efeitos das nuvens.

Abstract: Concentrated solar power technology emerges as a promising solution for converting solar energy into thermal energy, whether for industrial applications or electricity generation. Its working principle consists in the solar radiation being absorbed by a heat transfer fluid that carries and transfer the heat to a heat engine, such as a gas turbine and then produce electricity by an electrical power generator. Parabolic Trough Collector are one of the most utilized solar power plant technologies worldwide, it operates in a range of temperature from 250-500°C, with different types of working fluids and reaching an annual solar electric efficiency of ~10-20%. One of the primary challenges faced by concentrated solar power plants is solar intermittency due to the presence of clouds. These clouds cast shadows on the mirrors, interrupting the absorption of direct solar radiation. In this work a thermal model of a Parabolic Trough Collector technology combined with an Organic Rankine Cycle with and without a Thermal Energy Storage was implemented. The Direct Normal Irradiance and other climatological database of three different cities were provided by National Institute for Space Research. With their support, it was possible to analyze a case study of a solar power plant operating in several regions during different climatological scenarios and understand the feasibility to install in these regions a solar power plant based on the Direct Normal Irradiance availability and solar intermittency. Petrolina, Florianópolis and Brasília were the cities selected to be analyzed in the thermal model. Due to each region?s peculiarities some cities such as Brasília had a good performance for implementing a concentrated solar power technology during the entire year. Florianópolis has low values of direct solar radiation during the winter utilizing limited energy potential. In the case of Petrolina, it has a high frequency of Cumulus clouds during the entire year, the efficiency of a solar power plant will be very low. The thermal model was utilized to predict the implementation of a concentrated solar power and its electricity generation when being affected by the effects of clouds.