Aula 5 - Energia Solar - Sistemas de Aquecimento Solar

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Setembro de 2021
Energias Renováveis 
Prof. Eng. Fernando Oliveira 
• Introdução à Energia Solar;
• Sistemas de Aquecimento Solar;
Programa de aula 22/09/2021
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ENERGIA SOLAR
Introdução
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O Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre, cerca de 
5,445 x 1024 joules ou 1,5125 x 1018 kWh (quilowatts hora) de 
energia (FADIGAS, 2011). 
• O que é energia solar?
ENERGIA SOLAR
Introdução
• Conceito de Energia Solar
– Energia solar é um termo que se
refere à energia proveniente da
luz e do calor do Sol.
– É utilizada por meio de diferentes
tecnologias em constante
evolução, como o aquecimento
solar, a energia solar fotovoltaica,
a energia Heliotérmica, a
arquitetura solar e a fotossíntese
artificial.
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ENERGIA SOLAR
Introdução
• Quase todas as fontes de energia – hidráulica, biomassa, eólica,
combustíveis fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas
de energia solar.
• A radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de
energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para
geração de potência mecânica ou elétrica.
• Pode ainda ser convertida
diretamente em energia elétrica,
por meio de efeitos sobre
determinados materiais, entre
os quais se destacam o termoelétrico
e o fotovoltaico.
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ENERGIA SOLAR
Introdução
• O Brasil tem um enorme potencial para aproveitar a energia do sol.
Diariamente incide entre 4.444 Wh/m² a 5.483 Wh/m² no
país, segundo o Atlas Brasileiro de Energia Solar.
• Isso quer dizer que, o local com menos incidência solar no Brasil é melhor do 
que o local mais ensolarado da Alemanha, um dos pioneiros no uso dessa 
energia.
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Mato Grosso do Sul [357.145 km²] — Alemanha [357.168 km²]
ENERGIA SOLAR
Introdução
– RADIAÇÃO SOLAR
 Além das condições atmosféricas, a disponibilidade de radiação solar
(Energia total incidente sobre a superfície terrestre), depende da latitude
local e da posição no tempo.
 Somente parte da radiação solar atinge a superfície terrestre, devido à
reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera.
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Mesmo assim, estima-se que a
energia solar incidente sobre a
superfície terrestre seja na
ordem de 10 mil vezes o
consumo energético mundial
(CRESESB, 2000).
ENERGIA SOLAR
Introdução
• Bases astronómicas e meteorológicas
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ENERGIA SOLAR
Introdução
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ENERGIA SOLAR
Introdução
• Caso de Estudo: Processo de medição da radiação solar
• O aparelho utilizado para medir a irradiação solar global numa superfície
horizontal chama-se piranômetro. Se este dispositivo for colocado com o
écran a apontar diretamente para os raios solares, com um anel fixo que
cobre o caminho do sol no céu, então o dispositivo apenas mede a
radiação difusa.
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ENERGIA SOLAR
Introdução
• Caso de Estudo: Processo de medição da radiação solar
• Existem outros dispositivos de medição da irradiação solar, que possuem uma
célula fotovoltaica como receptor e que são relativamente mais baratos do que
o piranômetros, apresentando no entanto menor fiabilidade.
• O dispositivo de medição, mais simples e mais usado, da duração da
insolação é o Heliógrafo de Campbell-Stokes.
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ENERGIA SOLAR
Introdução
• A influência da orientação
• Para diferentes ângulos de incidência do sol ao longo do ano, a uma
determinada latitude, existe um valor máximo de radiação produzida que
poderá ser obtido se a superfície receptora estiver inclinada a um determinado
ângulo.
• O ângulo de inclinação ótimo, para os meses de Inverno (menor radiação) é
maior que no Verão por causa da menor altura solar.
• Para a tecnologia solar são usados os seguintes ângulos:
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ENERGIA SOLAR
Introdução
• A influência da orientação
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ENERGIA SOLAR
Introdução
• Caso de Estudo: Sombras
• As sombras reduzem a produção dos sistemas solares térmicos. Para
contabilizar a influência das sombras devidas aos obstáculos nas
imediações das superfícies receptoras (casas, árvores, etc.), podem ser
usados três processos.
• 1. Processo gráfico
• 2. Processo fotográfico
• 3. Processo assistido por computador
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ENERGIA SOLAR
Introdução
• O consumidor brasileiro enfrenta, além de quedas constantes de
energia nos grandes centros urbanos, contínuos aumentos na tarifa
energética por todo país.
• A energia solar térmica e fotovoltaica estão entre as escolhas mais
populares de quem deseja economizar na conta de luz.
• A energia solar oferece facilidade de instalação e custos bastante
acessíveis para investimento.
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ENERGIA SOLAR
Introdução
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 Matriz Elétrica 
Brasileira
ENERGIA SOLAR
Introdução
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 Gerar a própria energia vale a
pena? A ABSOLAR fez um
levantamento e mostra
quanto um consumidor
brasileiro que paga R$
300/mês de conta de luz
gastaria durante 25 anos!
Energia solar é LIMPA,
SUSTENTÁVEL, reduz a
necessidade de termelétricas
caras e poluentes, preserva
água nos reservatórios e ainda
economiza na conta de luz de
quem investe.
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Introdução
 Geração 
Centralizada
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Introdução
 Geração 
Distribuída
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Introdução
 Cadeia Produtiva
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Introdução
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 Consumo: Número 
de sistemas
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 Consumo: Potência 
Instalada
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Introdução
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 Benefícios
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Introdução
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 Ranking Estadual
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Introdução
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 Ranking Municipal
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• Introdução;
• Sistemas de Aquecimento Solar;
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ENERGIA SOLAR
Sistemas de Aquecimento Solar
• Um sistema básico de aquecimento de água por Energia Solar é
composto de reservatório térmico e coletores solares.
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Sistemas de Aquecimento Solar
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Sistemas de Aquecimento Solar
• RESERVATÓRIO TÉRMICO, também conhecido por Boiler, é um
recipiente para armazenamento da água aquecida.
• Em sistemas convencionais, a água circula entre os coletores e o
reservatório térmico através de um sistema natural chamado
termossifão.
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Captador de água com termossifão
(esquemático):
1: válvula;
2: depósito hidráulico;
3: entrada de água quente;
4: painel solar térmico;
5: entrada de água fria
ENERGIA SOLAR
• No COLETOR SOLAR, a radiação solar é absorvida para aquecimento
de água, a temperaturas relativamente baixas (inferiores a 100ºC).
– O uso predominante residencial, além de edifícios públicos e comerciais,
hospitais, restaurantes, hotéis e similares.
– O coletor é instalado no teto das residências e edificações.
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Sistemas de Aquecimento Solar
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– A circulação da água também pode ser feita através de motobombas em um
processo chamado de circulação forçada ou bombeado, e são normalmente
utilizados em piscinas e sistemas de grandes volumes.
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Sistemas de Aquecimento Solar
ENERGIA SOLAR
• Os benefícios dos aquecedores solares?
– Não agride o meio ambiente.
– Brasil é um país com incidência solar alta durante o ano todo.
– Abastecimento com água quente por meio de um sistema mais
econômico do que o de energia elétrica ou de gás encanado.
– Há valorização do imóvel.
– Os aquecedores já vêm com um sistema auxiliar.
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Sistemas de Aquecimento Solar
ENERGIA SOLAR
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Sistemas de Aquecimento Solar
ENERGIA SOLAR
• CONCENTRADOR SOLAR:
– O aproveitamento da energia solar aplicado a sistemas que requerem
temperaturas mais elevadas ocorre por meio de concentradores solares.
– A superfície refletora dos concentradores tem forma parabólica ou esférica
Os raios solares que incidem são refletidos para uma superfície bem menor
(foco), em que está o material a ser aquecido.
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Sistemas de Aquecimento Solar
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• CONCENTRADOR SOLAR:
– Um concentrador solar é um sistema para concentrar energia solar. Esta
tecnologia é usada em energia solar térmica.
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• CONCENTRADOR SOLAR:
– Um concentrador solar é um sistema para concentrar energia solar. Esta
tecnologia é usada em energia solar térmica.
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Sistemas de Aquecimento Solar
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Sistemas de Aquecimento Solar
• Tipos de ConcentradoresSolares
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• Atingem temperaturas bastante elevadas e índices de eficiência
variam de 14% a 22% de aproveitamento da energia solar incidente.
• Podem ser utilizada para a geração de vapor e, consequentemente,
de energia elétrica.
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Usina Heliotérmica
Deserto do estado de Nevada,
nos Estados Unidos, é possível
ver a torre de 195 metros de
altura da Usina heliotérmica
Crescent Dunes. A torre é
rodeada por mais de 10 mil
espelhos que refletem o sol
para a ponta dela.
Sistemas de Aquecimento Solar
ENERGIA SOLAR
• O sistema heliotérmico “é o processo de uso e acúmulo do calor proveniente
dos raios solares” (IBICT, 2016). Este sistema converte a energia solar em
eletricidade por meio das usinas heliotérmicas, implantadas em regiões
com alta incidência de irradiação solar. Isto é, essas plantas precisam ser
instaladas em áreas com pouca ocorrência de nuvens e baixos índices
pluviométricos.
• O processo de conversão de energia solar em eletricidade abrange as
seguintes etapas: coleta da energia solar; conversão da mesma em
calor; transporte e armazenamento deste último; e conversão do mesmo
em eletricidade (ANEEL, 2008).
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Sistemas de Aquecimento Solar
ENERGIA SOLAR
• A coleta da energia solar é realizada por espelhos que refletem a luz solar
concentrando-a no receptor, denominado como fluido térmico. Este possui a
capacidade de acumular amplo volume de calor. Então o calor do fluido
aquece a água até a mesma se transformar em vapor.
• Este é usado para mover turbinas que acionam um gerador elétrico, que
converte a energia mecânica das turbinas em energia elétrica. O calor
excedente gerado pelo processo é transmitido para um circuito independente
de refrigeração, que faz o vapor ser condensado e voltar ao estoque de água
(IBICT, 2016).
• A usina heliotérmica opera de forma similar às usinas termelétricas
convencionais, se diferenciando apenas em uma questão essencial, o
vapor gerado é de fonte de energia não poluente. Além disso, o sistema
heliotérmico viabiliza o armazenamento térmico, ou seja, quando é gerada
energia excedente ao funcionamento da usina, pode-se armazenar a
mesma em um depósito térmico (IBICT, 2016).
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Referência Bibliográficas
• TOLMASQUIM, MAURICIO T, “Energia Renovável: Hidráulica, Biomassa, Eólica, Solar”. EPE.
• ABSOLAR(2021). Boletim de Dados
• Manual ENERGIA SOLARTÉRMICA.
• QUASCHNING, VOLKER. “Understanding Renewable Energy Systems”. Earthscan. UK, USA . 2005
• PARK, JACK. “The Wind Power Book”. Cheshire Books. Palo Alto, Califórnia.
• LIMA, LUCAS. GUIMARÃES, SEBASTIÃO. DE PAULA, AÍDSON. "Potência extraída de turbinas
eólicas baseada na comparação de diferentes tipos de velocidade dos ventos“ Artigo.
• CARVALHO, PAULO. RANGEL BORGES NETO, MANUEL. "Geração de Energia Elétrica -
Fundamentos". Ed. Érica. 1° Edição. São Paulo.
Data: junho/2016
Fernando W. S. de Oliveira
Engenheiro Eletricista, Mestre Eng. Mecânica em Energias Renováveis (UFC)
Doutorando Eng. Elétrica – Eletrônica de Potência - UFC
Graduando Engenharia de Computação
Professor Eletroeletrônica / Energias Renováveis / Controle e Servomecanismo / Instalações Elétricas
OBRIGADO!