Scott Parent, vice-presidente, CTO de campo de energia, aeroespacial e industrial da Ansys, discute como os engenheiros podem usar a simulação ótica para maximizar os benefícios da energia solar.

Para que o esforço global para atingir a meta líquida zero até 2050 seja bem-sucedido, todas as ferramentas à nossa disposição terão de ser exploradas. As fontes de energia renováveis ​​são uma área de foco importante para organizações em todo o mundo, e muito esforço está sendo feito para desenvolvê-las à medida que tentamos abandonar a nossa dependência de combustíveis fósseis.

Destas opções, a energia solar está a ser apontada como desempenhando um papel particularmente significativo, tornando-se mesmo dominante em 2050, uma vez que é barata de implementar e pode gerar eletricidade a partir de qualquer parte do globo e em qualquer clima.

No entanto, para que a energia solar cumpra o seu potencial como fonte de energia robusta e confiável a nível mundial, há dois desenvolvimentos críticos que têm de ocorrer. O primeiro é um aumento exponencial na adoção da energia solar e o outro são os rápidos avanços na tecnologia de geração e armazenamento atualmente disponível. Sem estas duas melhorias críticas, a energia solar terá dificuldade em contribuir eficazmente para a solução, prejudicando significativamente as nossas ambições de emissões líquidas zero.

Existem tecnologias que estão atualmente a ser desenvolvidas por empresas, como a empresa australiana de energia renovável RayGen, que visam resolver estes problemas, mas devido à sua complexidade, os métodos tradicionais de produção podem ser demasiado dispendiosos e demorados.

É aqui que a simulação de engenharia desempenhará um papel fundamental. A simulação permite que empresas como a RayGen considerem e modelem todos os aspectos do desenvolvimento – como o movimento do sol ou como os componentes individuais reagirão a um determinado conjunto de circunstâncias – antes de serem fabricados, o que melhora drasticamente a precisão, mas reduz crucialmente o custo e o tempo de produção.

A energia solar está presa nas sombras

A crítica comum à energia solar de que “ela só funciona quando o sol está brilhando” pode parecer excessivamente simplista, mas a realidade é que há alguma verdade nisso.

A questão do que fazer quando o Sol se põe ou quando o tempo limita a sua exposição continua a ser a questão central. Isto requer o desenvolvimento de soluções que não apenas maximizem a eficiência e eficácia da energia solar que pode ser produzida, mas também como armazenar essa energia assim que a tiver.

Sem uma quantidade suficiente de energia armazenada, as redes tendem a ficar sobrecarregadas durante o dia, quando o Sol está no seu pico, o que significa que muitos têm de adiar a sua produção solar.

Consequentemente, quando o Sol não está disponível, as empresas de energia têm de recorrer a métodos de geração de energia mais tradicionais. Isto significa que há falta de energia solar suficiente para utilização à noite, quando o consumo de energia atinge o pico, resultando numa relutância em adoptar a energia solar em larga escala. É aqui que é necessária uma abordagem melhorada à energia solar, a fim de desenvolver uma solução que possa garantir que as redes sejam abastecidas com energia dia ou noite ou em quaisquer condições meteorológicas.

A RayGen desenvolveu uma usina de energia solar em Victoria, Austrália, que busca combinar esses dois elementos no que chama de o maior projeto de armazenamento de energia de longa duração do mundo. Isto combina formas inovadoras de produzir e armazenar energia solar e empregou o uso extensivo de simulação para superar os obstáculos inerentes à energia solar.

Maximizando o poder do Sol

A primeira é a questão de capturar a quantidade máxima possível de energia solar. Os raios do Sol não atingem a Terra de forma consistente, diferindo em ângulo e intensidade dependendo da hora do dia ou das diferentes fases do ano.

Como resultado, os engenheiros devem desenvolver “espelhos”, conhecidos como helióstatos, que rastreiem o Sol da forma mais eficaz possível para concentrar a sua energia nos receptores que irão gerar a eletricidade. Estes campos de helióstatos são todos calibrados de forma diferente, dependendo de uma série de condições e, portanto, projetar cada um para maximizar a eficiência é uma tarefa monumentalmente complicada, que, se feita usando métodos tradicionais, levaria uma quantidade de tempo proibitivamente grande.

É aqui que entra a simulação óptica. Os engenheiros podem usar a simulação óptica para executar inúmeras simulações que avaliam o tamanho, o espaçamento e a curvatura dos helióstatos, bem como a distância do receptor e o ângulo de cada espelho individual. Isto ajuda nos cálculos iniciais, o que economiza uma quantidade significativa de tempo e dinheiro, mas também reduz a necessidade de engenheiros produzirem protótipos físicos dispendiosos e dispendiosos.

Além disso, a simulação estrutural pode ser usada para garantir que estes helióstatos sejam robustos e capazes de funcionar durante todo o ano e em condições variáveis, mas com a menor quantidade de material possível. Se estes helióstatos forem adoptados em todo o mundo, é crucial que sejam tão económicos quanto possível, e é aqui que a simulação também desempenhará um papel crucial.

Armazenando energia para um dia chuvoso

Depois de maximizar a forma de gerar energia solar, uma forma eficaz de armazená-la deve ser desenvolvida.

Atualmente, as empresas conseguem capturar e armazenar energia solar através do uso de baterias grandes, caras e ineficientes. Embora não sejam ideais, para operações em menor escala, estas baterias podem ser suficientes.

No entanto, para grandes operações, como parques solares ligados à rede, a falta de armazenamento de baixo custo tem sido um problema importante que a RayGen tem tentado resolver.

Para fazer isso, recorreu a uma forma estabelecida de armazenar energia – armazenamento de energia térmica em poço. Isso envolve o uso de energia para aquecer grandes massas de água, que são capazes de armazenar energia térmica por semanas ou meses seguidos. É uma técnica consagrada em países como a Dinamarca, que aquecem estas massas de água no verão e distribuem a água quente nas casas das pessoas durante o inverno. As perdas de energia são extremamente baixas, com apenas 5 ou 10% da energia térmica sendo perdida durante um período de seis meses ou mais.

No entanto, o processo é complicado, envolvendo um delicado equilíbrio entre aquecimento e arrefecimento para garantir que a energia é armazenada da forma mais eficiente possível. RayGen recorre novamente à simulação para ajudar nesse processo. Ao usar a dinâmica de fluidos computacional, o RayGen pode modelar o fluxo de água para garantir que a água seja mantida a uma temperatura operacional aceitável e seja difundida de maneira uniforme e em baixa velocidade, o que significa que a água quente e fria não se misturam – uma parte crucial do processo.

Para que a energia solar atinja o seu potencial, serão necessárias melhorias contínuas nas técnicas, processos e infraestruturas.

Sem simulação, este processo pode não ser alcançável. A menos que estes avanços tecnológicos sejam economicamente viáveis, os seus benefícios poderão nunca ser concretizados. A capacidade da simulação de ajudar os engenheiros a maximizar as soluções de energia solar de maneira econômica e oportuna pode ser crucial à medida que olhamos para um futuro líquido zero.

Fonte: Innovation News Network

Disponível em: https://www.innovationnewsnetwork.com/how-simulation-can-help-unlock-the-potential-of-solar-power/38824/