Energias Renováveis: Eólica, Fotovoltaica e Aquecimento Solar

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DESCRIÇÃO
O estudo da energia eólica, da energia fotovoltaica e do sistema de aquecimento solar.
PROPÓSITO
Compreender o potencial de geração de energia eólica e fotovoltaica no Brasil e a importância
do sistema de aquecimento solar.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Identificar o potencial da energia eólica no Brasil
MÓDULO 2
Identificar o potencial da energia fotovoltaica no Brasil
MÓDULO 3
Reconhecer a importância do sistema de aquecimento solar e seus vários aspectos
AS ENERGIAS EÓLICA E FOTOVOLTAICA E
O SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR

AVISO: orientações sobre unidades de medida.
AVISO: ORIENTAÇÕES SOBRE UNIDADES DE
MEDIDA.
Em nosso material, unidades de medida e números são escritos juntos (ex.: 25km) por
questões de tecnologia e didáticas. No entanto, o Inmetro estabelece que deve existir um
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espaço entre o número e a unidade (ex.: 25 km). Logo, os relatórios técnicos e demais
materiais escritos por você devem seguir o padrão internacional de separação dos
números e das unidades.
A ENERGIA EÓLICA
MÓDULO 1
 Identificar o potencial da energia eólica no Brasil

POTENCIAL DE GERAÇÃO DE ENERGIA
EÓLICA NO BRASIL
O potencial de geração de energia eólica aumenta devido às novas tecnologias que permitem
que os geradores sejam instalados em maiores alturas e utilizem pás maiores. O potencial de
geração de energia eólica do Brasil a 150m de altura é de 440GW. Desse potencial, 10,34GW
já estão sendo explorados (ABEEOLICA, 2016).
A imagem a seguir apresenta a velocidade do vento para a altura de 50m e a localização dos
parques eólicos em operação. Como podemos perceber, os parques estão sendo explorados
principalmente na região Nordeste.
 Velocidade do vento para altura de 50 m e os parques eólicos no Brasil.
O potencial da energia eólica está concentrado nas regiões Nordeste, Sul e Sudeste conforme
o quadro a seguir.
Fonte
energia
Norte Nordeste
Centro-
Oeste
Sul Sudeste
Eólica Baixa Alta Baixa Alta Alta
 Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal
Quadro: Potencial da energia eólica por regiões.
Elaborado por: Ney Joppert Junior.
A altura considerada inicialmente para o cálculo do potencial era de 50m; atualmente,
considera-se a altura de 150m, o que aumentou bastante o potencial de geração elétrica via
energia eólica.
SISTEMAS EÓLICOS
Nosso objetivo é entender os conceitos da energia eólica e os componentes principais.
GERADORES EÓLICOS
A geração de energia eólica para aplicação como energia elétrica avançou muito nos últimos
anos, principalmente, pela grande demanda da sociedade por tecnologias limpas. Nesse
contexto, a sociedade humana já utiliza o vento para bombeamento de água, moagem de
grãos e outras aplicações de energia mecânica.
A fonte da energia eólica é a energia cinética dos ventos que é convertida em energia elétrica
pela rotação das pás dos aerogeradores. Os ventos que sopram no planeta Terra são gerados
pela diferença de pressão entre o Equador e os polos devido às diferenças de irradiação solar
no globo terrestre. Localmente, os ventos são gerados, principalmente, pela diferença de
temperatura entre o mar, a terra e a altitude do local.
Os geradores eólicos são instalados em regiões com muito vento, em terrenos planos e com
poucos obstáculos e no mar. Sendo assim, quanto menor a turbulência do vento melhor é o
aproveitamento energético.
As pás dos aerogeradores são projetadas, cada vez maiores, para aumentar e estabilizar a
eficiência da transformação da energia cinética dos ventos em eletricidade. A imagem a seguir
apresenta a evolução dos aerogeradores em termos de diâmetro do rotor, altura da torre e
potência nominal.
 Evolução dos aerogeradores: diâmetro do rotor, altura de torre e potência nominal.
Os aerogeradores possuem três elementos principais:
ROTOR
Composto pelo conjunto das pás e o cubo do aerogerador responsável pela captura da energia
cinética do vento.
EIXO
Transfere a energia captada no rotor para o gerador.
GERADOR
Responsável pela conversão de energia mecânica em elétrica.
Os rotores podem ser de dois tipos: os de eixo vertical e os de eixo horizontal, conforme a
imagem a seguir:
 Tipos de aerogeradores.
Os rotores de eixo vertical são indicados para parques offshore, ou seja, no mar, permitindo
que componentes como transmissão e gerador fiquem na parte inferior, o que reduz o
investimento na estrutura para manter a estabilidade. Outra característica dos rotores de eixo
vertical é que funcionam bem com mudanças na direção dos ventos e com a turbulência.
Os rotores de eixo horizontal têm o eixo de rotação paralelo à direção do vento. É necessário,
portanto, um mecanismo para posicioná-lo em relação à direção do vento para permitir um
melhor aproveitamento da energia cinética dos ventos. Os modelos diferem pela quantidade de
pás utilizadas. O rotor com três pás é o mais utilizado em razão da maior eficiência
aerodinâmica, custo, peso, estabilidade e ruído. A imagem a seguir apresenta os componentes
básicos dos aerogeradores de eixo horizontal.
 Componentes básicos dos aerogeradores de eixo horizontal.
Os componentes internos dos aerogeradores de eixo horizontal são apresentados a seguir:
 Componentes de um aerogerador.
ESTIMAR O POTENCIAL DE ENERGIA
EÓLICA
Para estimar o potencial de energia eólica o primeiro passo é conhecer a velocidade do vento.
Essa informação pode ser obtida por meio de pesquisa em bancos de dados públicos ou de
medições no local, permitindo consolidar os dados e obter a velocidade média anual do vento e
a curva de frequência de ocorrência de velocidade.
CALCULAR A POTÊNCIA DISPONÍVEL DE ENERGIA
EÓLICA
É possível calcular a potência disponível de energia eólica a partir da velocidade do vento e da
área da seção transversal varrida pelas pás, conforme a Equação 1.
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Onde:
Pd é a potência do vento ou potência disponível [W];
ρ é a massa específica do ar (utiliza-se o valor médio de 1,225 kg/m3);
A é a área da seção transversal (área varrida pelas pás)[m2];
V é a velocidade do vento [m/s].
A potência disponível depende principalmente da velocidade do vento. A potência disponível é
igual à velocidade do vento ao quadrado multiplicada pela área da seção transversal varrida
pelas pás.
Como somente parte da potência disponível no vento é convertida em energia, utiliza-se a
potência gerada (Pg) e o coeficiente de potência (Cp) do sistema. É importante monitorar a
velocidade de vento, pois uma velocidade menor que a mínima impede que a turbina opere
Pd =   × ρ  × A  ×  V
31
2 
adequadamente, e uma velocidade maior que a máxima pode danificar a estrutura e a ação
tomada, interrompendo a operação.
A relação entre a potência gerada e a disponível em um sistema eólico é dada pela Equação 2:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Para estimar a produção de energia anual disponível (Ed) e gerada (Eg), multiplica-se a
potência pela quantidade de horas de produção conforme Equação 3:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Para estimar a produção de energia anual, utiliza-se o valor de 8.760 horas e a produção de
energia mensal utiliza-se 720 horas.
Uma central de energia eólica é composta pelo conjunto de aerogeradores, pelos inversores e
pelos sistemas de proteção. A localização dos aerogeradores é muito importante e é definida
conforme a direção dos ventos no local. Como as torres são grandes, é necessário construir
fundações sólidas e interligar os aerogeradores, os equipamentos auxiliares e conectar o
parque com a rede de transmissão.
Os parques podem ser offshore (no mar) ou onshore (em terra), sendo esses últimos a maioria.
Os sistemas de geração eólica são classificados em:
Centralizados
Grandes aerogeradores (maiores que 100kW) formando parques eólicos ligados aos sistemas
elétricos.

cp =  
Pg
Pd
Ed =  Pd× H  e  Eg =  Pg  × H
Distribuídos
Pequenos aerogeradores que fornecem energia diretamente para casas, fazendas e indústrias.
Podem estar conectados ou não com a rede de distribuição.
CURVA DA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA DE UMA
FONTE EÓLICA
A imagem a seguir apresenta uma curva da geração de energia elétrica de uma fonte eólica
apresentada na cor verde durante o processo de geração. Caso fosse implantado um sistema
de armazenagem de energia, isso permitiria que uma fonte intermitente como a eólica
passasse a ser constante.
 Exemplo de curva de geração de energia elétrica de fonte eólica em 24h.
VEM QUE EU TE EXPLICO!
A fonte de energia eólica
Os componentes dos aerogeradores
VERIFICANDO O APRENDIZADO
ENERGIAS FOTOVOLTAICAS
MÓDULO 2
 Identificar o potencial da energia fotovoltaica no Brasil
CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Nosso objetivo neste módulo é entender os conceitos da energia solar fotovoltaica e como
estimar a quantidade de energia elétrica que pode ser gerada a partir dessa fonte.
A localização do Brasil favorece uma maior incidência de raios solares e maior produção de
energia por painéis fotovoltaicos. A imagem a seguir apresenta o mapa de irradiação solar
direta normal e a média anual. Como se pode observar, existem regiões com maior irradiação
diária, mas o potencial é considerado bom para todas as regiões do país, especialmente para a
região Nordeste, Centro-Oeste e Sudeste.
 Radiação solar global diária, média mensal em MJ/m2, dia.
O Brasil está na faixa de variação da irradiação global horizontal anual de 1.500 a
2.200kWh/m2, se compararmos com a Alemanha, que possui maior capacidade instalada
fotovoltaica, sua irradiação está entre 900 e 1.250kWh/m2.
No quadro a seguir, apresentamos um resumo do potencial por cada região do país.
Fonte Norte Nordeste Centro- Sul Sudeste
energia Oeste
Solar
fotovoltaica
Média Alta Alta Média Alta
 Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal
Quadro: Prioridade para pesquisa em energias renováveis.
Elaborado por: Ney Joppert Junior.
GERADORES FOTOVOLTAICOS
A energia solar fotovoltaica é gerada quando um material semicondutor é exposto à radiação
solar. Nessa situação, ocorre uma transferência de elétrons da banda de valência de uma
partícula para a banda de condução (efeito fotovoltaico), criando assim uma diferença de
potencial gerando energia elétrica.
Os módulos fotovoltaicos são compostos por células solares conectadas, montadas numa
estrutura de alumínio e envoltas por uma série de materiais que as protege da ação do tempo e
dos impactos. Esses materiais são: encapsulante, camada de vidro, selante e a moldura,
conforme imagem a seguir.
 Camadas de um módulo fotovoltaico típico.
A imagem seguir apresenta o detalhamento do painel fotovoltaico:
 Composição detalhada do painel solar.
No caso dos sistemas fotovoltaicos, a geração de energia elétrica é produzida diretamente
pelas placas fotovoltaicas. Os sistemas fotovoltaicos são modulares, o que facilita a colocação
nas superfícies disponível para instalação. Outra característica é que não necessitam de
manutenção periódica, somente de limpeza das placas para permitir a passagem dos raios
solares sem obstáculos.
As células fotovoltaicas disponíveis são normalmente de silício cristalino, podendo ser
monocristalino ou policristalino. A eficiência do silício monocristalino é maior do que a do
policristalino, o que faz com o silício monocristalino seja mais utilizado.
MOVIMENTO APARENTE DO SOL
Para um observador situado na Terra, o Sol se move de Leste para Oeste; e, devido ao
movimento de rotação da Terra, é possível observar a sequência dos dias e das noites.
A Terra descreve também um movimento de translação ao redor do Sol, que demora em média
365 dias para completar uma volta, conforme a imagem a seguir. Ao longo do movimento de
translação, são estabelecidas as quatro estações: Primavera, Verão, Outono e Inverno. A Terra
gira ao redor de um eixo imaginário ligando o Polo Norte ao Polo Sul. O eixo da Terra é
inclinado em aproximadamente 23,5° em relação a uma linha perpendicular à órbita da Terra.
 Trajetória da Terra ao redor do Sol.
VARIAÇÃO DA IRRADIAÇÃO SOLAR
Como há uma mudança do ângulo de rotação da Terra ao longo do ano, a irradiação solar
também varia conforme a região do planeta. Regiões mais distantes da linha do Equador têm
uma variação maior do que as próximas ao equador. Portanto, a irradiância solar varia de
acordo com a localização e o consequente o ângulo de incidência dos raios solares conforme a
imagem a seguir. O formato da Terra, a inclinação de seu eixo e o movimento de translação
geram ao longo do ano variação de temperatura, assim como variação na inclinação dos raios
solares sobre a superfície terrestre.
 Efeito da inclinação dos raios solares na radiação recebida por unidade de área.
Como vimos, a superfície da Terra não é perpendicular à radiação do sol, e o ângulo de
incidência dos raios solares é diferente em cada ponto; por isso, quanto mais longe da linha do
Equador se está, menor a irradiância solar.
A imagem anterior apresenta a inclinação dos raios solares em relação à superfície da Terra
nas estações do ano. Conhecer essa inclinação permite colocar os painéis solares de maneira
que possam captar a energia solar por mais horas, principalmente nas estações da primavera,
outono e inverno. Instalar as placas solares com a inclinação e a direção correta (direção
Norte) assegura o funcionamento adequado do sistema.
 Instalação dos painéis solares na direção correta e a irradiação nas estações do ano.
A imagem a seguir apresenta a variação da irradiação solar média diária em megajoule por
metro quadrado por dia (MJ/m²/dia) para cada mês do ano conforme a localização, indo desde
a linha do Equador até a latitude de 40° para o Sul ou 40S (região próxima ao Polo Sul).
 Variação da irradiação solar média diária conforme a localização (latitude).
A colocação dos painéis solares com a inclinação em direção ao Norte (no Hemisfério Sul) com
o mesmo ângulo da latitude local melhora significativamente os resultados. Na imagem a
seguir, é possível observar como essa inclinação melhora a irradiação em uma placa solar ao
longo do ano.
 Gráfico de irradiação global nos planos horizontal e inclinado ao longo de um ano.
Uma maneira de melhorar a irradiação solar sobre uma placa solar ao longo de um dia é utilizar
mecanismos de seguimento do sol de um ou dois eixos conforme a imagem a seguir. Essa
tecnologia utilizada em centrais instaladas no solo tem um custo maior.
 Sistemas de seguimento solar de (a, b) um e (c) dois eixos.
GEOMETRIA SOLAR
A partir dos dados do mapa solarimétrico, da latitude e da longitude da região, é possível
chegar ao valor exato da radiação solar daquele local.
DIFERENÇA ENTRE LATITUDE E LONGITUDE
A latitude geográfica corresponde à posição angular em relação à linha do Equador,
considerada de latitude zero. Cada paralelo traçado em relação ao plano do Equador
corresponde a uma latitude constante: positiva, se traçada ao Norte; e negativa, se posicionada
ao sul do Equador. Os Trópicos de Câncer e de Capricórnio correspondem às latitudes de
23o27’ ao Norte e ao Sul, respectivamente, compreendendo a região tropical.
A longitude geográfica é o angulo medido ao longo do Meridiano da Terra, tendo origem no
meridiano de Greenwich (referência) e extremidade no meridiano local. A imagem a seguir
representa as linhas de latitude e longitude respectivamente.
 Representação das linhas de latitude e longitude.
Na Conferência Internacional Meridiana, foram definidas as variações de 0o a 180o (oeste de
Greenwich) e de 0o a –180o (leste de Greenwich).
A Longitude é muito importante na determinação dos fusos horários e da hora solar.
A imagem a seguir apresenta a localização do Brasil em relação aos paralelos e aos
meridianos.
 Localização do Brasil em relação aos paralelos e meridianos.
CENTRAIS DE GERAÇÃOFOTOVOLTAICA
A energia solar fotovoltaica pode ser instalada em residências em conexão com a rede de
distribuição e compensação do consumo de energia elétrica na fatura da concessionária. Existe
também a possibilidade de instalação de diversos módulos centrais de geração.
Os componentes básicos de qualquer sistema são o módulo fotovoltaico, o inversor, os
conectores, os cabos, as estruturas e os componentes elétricos. Para o caso de sistemas
isolados, é necessário haver controlador de carga e bateria para armazenar a energia
excedente conforme a imagem a seguir:
 Componentes dos sistemas de geração de energia fotovoltaica.
Para o caso de instalação de sistema solar fotovoltaico em uma residência, o primeiro passo é
dimensionar o sistema de geração fotovoltaica a partir do cálculo do consumo médio diário de
energia elétrica (E) em Wh/dia, utilizando os valores dos últimos 12 meses. Também é
necessário ter os dados de irradiação da região onde a residência está localizada.
Tendo as coordenadas geográficas do local, é possível consultar o banco de dados e obter os
dados de irradiação diária média (Ht) em kWh/m2/dia, para quatro ângulos:
PLANO HORIZONTAL
ÂNGULO IGUAL À LATITUDE
MAIOR MÉDIA ANUAL
MAIOR MÍNIMO MENSAL
Para o caso do sistema conectado à rede de distribuição, deve-se utilizar a irradiação média
diária no ângulo que fornece o maior valor de irradiação solar visando aproveitar a energia
disponível no local.
Outra etapa está relacionada com a escolha do módulo fotovoltaico e as informações técnica
para o cálculo da eficiência (η), como: área do módulo (Am) em metros quadrados (m
2), a
potência de pico ou ponto de máxima potência que o módulo pode estabelecer sob as
condições padronizadas (Pmpp) em watt pico (Wp).
A potência de pico de um sistema fotovoltaico é a potência obtida quando a placa é irradiada
por uma luz que simula a luz solar com a potência de 1000W/m2, à temperatura de 25oC.
Assim, a eficiência pode ser calculada dividindo-se a potência de saída por metro quadrado do
módulo (W/m2) pela potência de entrada do módulo em 1m2, ou seja, a potência de 1000W/m2
irradiada, conforme a Equação 1:
η  =  
Pmpp
Am
1000  [ ]W
m2
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A partir disso, é possível calcular a quantidade de módulos (Qm) que será necessária para
atender ao consumo médio diário de energia elétrica (E), conforme a Equação 2:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Dessa maneira, pode-se calcular a área necessária para o sistema pela multiplicação da área
de cada módulo pela sua quantidade, assim como, estimar a potência total do sistema,
multiplicando a quantidade de módulos pela sua potência de pico.
O sistema deverá ter conectores, estruturas metálicas de suporte e outros componentes
elétricos e um inversor de corrente contínua para corrente alternada. Além disso, deverá prever
a estrutura de conexão com a rede de transmissão de energia elétrica e uma subestação de
elevação de tensão.
KIT DE ENERGIA SOLAR
O kit de energia solar é composto pelos seguintes elementos:
PAINEL SOLAR FOTOVOLTAICO
Conjunto de módulos que gera energia (pois para atender ao consumo de uma casa ou
empresa é necessário mais de um módulo).
INVERSOR FOTOVOLTAICO
Qm  =  
E
Ht  × η × Am
É o “cérebro” de um sistema fotovoltaico, pois é considerado o seu principal equipamento.
Adapta a energia dos módulos ao padrão das nossas tomadas e faz a ligação entre sistema e
rede elétrica.
CAIXA DE JUNÇÃO / STRINGBOX
Conjunto de componentes de proteção do sistema contra surtos de redes e demais danos
elétricos, como também a chave para ligar/desligar.
ESTRUTURAS DE SUPORTE E ANCORAGEM
São os componentes mecânicos necessários para fixar os módulos sobre o telhado ou solo.
CABEAMENTO
Conjunto de cabos e conectores para fazer a ligação elétrica entre os equipamentos do kit
fotovoltaico.
Deve-se prestar atenção às unidades de medida utilizadas para que os resultados sejam
corretos. A irradiação é dada em (Wh/m2)/dia, então, a demanda de energia deve ser
convertida de KWh/dia para Wh/dia.
VEM QUE EU TE EXPLICO!
A geração de energia elétrica produzida pelos sistemas fotovoltaicos
A diferença entre latitude e longitude
VERIFICANDO O APRENDIZADO
SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR
MÓDULO 3
 Reconhecer a importância do sistema de aquecimento solar e seus vários aspectos
FORMAS DE AQUECIMENTO A PARTIR DA
INCIDÊNCIA SOLAR
Neste módulo, serão apresentados conceitos sobre sistema de aquecimento solar, radiação
solar e princípios de funcionamento.
RADIAÇÃO SOLAR
É o mecanismo de transmissão de calor entre dois corpos de temperaturas diferentes através
do espaço não necessitando de contato físico, por exemplo, a transferência de calor entre o Sol
e a Terra.
O sol, por meio de reações termonucleares, libera grande quantidade de energia
eletromagnética que atinge a superfície terrestre, entretanto, devido às estações do ano, essa
energia não é distribuída da mesma maneira.
A energia solar é uma energia renovável, inesgotável e totalmente limpa. Em meados do século
XX, percebeu-se a capacidade do Sol em aquecer a água contida em um tubo e
posteriormente armazenada em caixa revestida com isolamento térmico.
No Brasil, temos diariamente uma incidência de energia solar entre 4.500 Wh/m2 a 6.300
Wh/m2. Em alguns países europeus, a insolação é menor do que as regiões menos ensolarada
do Brasil. O Brasil ocupa o 5º lugar no ranking geral no mercado de coletores solares.
Os tipos de coletores estão divididos em quatro classes:
Elaborado por: Ráinir Rangel
Por estar localizado próximo à linha do equador, o Brasil possui elevado índice de incidência
solar com pequenas variações de radiação durante o dia. A imagem a seguir mostra o mapa da
média anual de insolação diária no Brasil.
 Média anual de insolação diária no Brasil.
SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
As etapas principais de aquecimento por energia solar são:
captação da energia solar (através de coletores solares: placas ou painéis);
transferência da energia para o fluido;
armazenamento da energia térmica (conhecidos como boiler); e
distribuição da água aquecida.
CAPTAÇÃO / TRANSFERÊNCIA / ACUMULAÇÃO
DISTRIBUIÇÃO
CAPTAÇÃO / TRANSFERÊNCIA / ACUMULAÇÃO
Nessas etapas, os coletores e o reservatório trabalham em conjunto.
DISTRIBUIÇÃO
Já essa etapa é composta pelas tubulações e pelos acessórios hidráulicos para distribuição da
água quente.
Quando os raios solares incidem no coletor solar, aquecem os dutos internos, feitos de cobre
ou alumínio e pintados com tinta escura que ajuda na absorção da radiação solar. A água
dentro dos tubos é aquecida e vai diretamente para o reservatório térmico que fica num nível
mais alto, dando início a um processo natural de circulação da água, conhecido como
termossifão. Esse processo mantém a água circulando enquanto houver radiação solar
incidente sobre as placas ou até que a água atinja o equilíbrio térmico. A imagem a seguir
ilustra a simples montagem de um sistema de aquecimento solar.
 Sistema básico de aquecimento solar.
Os dois sistemas de aquecimento solar mais utilizados são:
circulação por termossifão;
circulação forçada.
CIRCULAÇÃO POR TERMOSSIFÃO
No sistema de circulação por termossifão, os coletores solares são ligados a um reservatório
termicamente isolado instalado em nível mais elevado em relação aos coletores, conforme a
imagem a seguir. A circulação da água no sistema ocorre por convecção natural devido à
diferença de densidade entre a água quente e a água fria. A água quente com menor
densidade sobe forçando a movimentação do líquido. Portanto, nesse caso, não há
necessidade do uso de bomba hidráulica para realizar a circulação da água.
Esse sistema é composto por coletor solar, reservatório térmico, vaso de expansão e outros
acessórios como tubulação e conexões. A imagem a seguir apresenta os componentes
apresenta o processo por termossifão. Sistema de aquecimento por termossifão.
CIRCULAÇÃO FORÇADA
O sistema de circulação forçada é utilizado quando não é possível o uso do sistema por
termossifão. Para realizar a circulação da água, é necessário o uso de bomba hidráulica que
pode ser controlada por um sistema de controle automático que aciona a bomba hidráulica
assim que a diferença de temperatura entre o reservatório e os coletores alcance 5oC.
Esse sistema é composto por coletor solar, reservatório térmico, bomba eletrocirculadora e
outros acessórios como tubulação e conexões. Nesse sistema, não é necessário instalar o
reservatório acima do coletor, pois a circulação é feita pela bomba hidráulica. A imagem a
seguir ilustra o funcionamento do processo de aquecimento solar de modo forçado.
 Sistema de aquecimento com circulação forçada.
COLETOR SOLAR
O coletor solar é essencial e mais importante no sistema de aquecimento solar, pois converte a
energia solar em energia térmica. O coletor capta a radiação solar e transfere esse calor para
um fluído, como ar ou água. Os coletores solares são fabricados utilizando o cobre ou alumínio
e recebem um isolamento térmico com vedação de borracha e silicone.
A determinação da quantidade de coletores que devem ser instalados em uma residência ou
empresa depende do consumo familiar e do nível de insolação térmica na região.
O coletor solar de placa plana é destinado à geração de água quente a temperaturas inferiores
a 100°C e é mais utilizado em residências, atuando como receptor da energia solar. A energia
armazenada na placa aquece o fluido que está circulando em suas aletas internas. As aletas
são construídas em cobre ou alumínio que absorvem a radiação solar e transmitem o calor ao
fluido. Este tipo de painel é fabricado com uma cobertura transparente de vidro ou plástico. A
imagem a seguir ilustra um coletor solar de placa plana.
 Coletor solar placa plana.
Existem vários tipos de coletores solares para uso em residências, sendo os mais comuns os
de placas e os de tubos a vácuo.
COLETOR SOLAR ABERTO
O coletor solar aberto é utilizado para aquecer piscinas e, devido à ausência da cobertura de
vidro e do isolamento térmico, ele atinge temperaturas de no máximo 40oC.
COLETOR TUBO DE VÁCUO
O coletor tubo de vácuo é recomendado para regiões com pouca radiação, em clima frio ou
quando é necessário atingir temperaturas acima de 100oC. Nesse coletor as perdas térmicas
por convecção são reduzidas.
COBERTURA DO COLETOR
A maioria dos coletores solares planos utiliza vidro ou plástico. Os vidros devem ter
transmissividade, isto é, permitir que mais radiação solar entre no coletor e atinja a placa
absorvedora. Os plásticos devem ser resistentes às radiações ultravioleta e variações de
temperatura.
Em países de clima frio, o vidro deve ser temperado. No Brasil, país de clima quente, pode-se
utilizar vidro liso comum, martelado ou canelado.
A rotina de manutenção preventiva deve ser feita a cada um ano, observando as borrachas e o
silicone, para ver se há infiltração de água de chuva e avaliar a sujeira nos vidros. A limpeza
dos vidros é importante para a eficiência dos coletores.
RESERVATÓRIO TÉRMICO
No sistema de aquecimento solar, o consumo de água quente nem sempre ocorre ao mesmo
tempo da sua geração. Para manter a autonomia do sistema é necessário a utilização de um
reservatório térmico para sua armazenagem.
O reservatório deve ter um baixo coeficiente de troca térmica com o ambiente, ser construído
com materiais resistentes à corrosão e a uma faixa de temperatura entre 60° e 80° no caso de
residências.
Onde a água tiver características corrosivas, deve-se utilizar o aço inoxidável. Podem ser
utilizados reservatórios de plástico ou polipropileno. A foto a seguir mostra um reservatório
térmico de aço inoxidável. No mercado, pode-se encontrar reservatórios com diferentes
volumes de armazenamento: 100, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800 e 1000 litros, e de grande
porte com 2000 a 5000 litros.
 Reservatório térmico de aço inoxidável.
DIMENSIONAMENTO DO RESERVATÓRIO
DO SISTEMA CENTRAL COLETIVO
O reservatório tem a finalidade de armazenar a água quente gerada por meio das placas
coletoras solares. A eficiência alcançada pelas placas é maior quanto maior for a diferença
entre a temperatura da entrada de água fria e a saída de água quente.
Vamos imaginar, a título de exemplo, que a temperatura média anual de uma localidade seja de
25oC, com temperatura de armazenamento do reservatório de 60oC e temperatura de consumo
de 40oC. Para determinar o volume de armazenamento de água quente do reservatório,
utilizamos alguns parâmetros e cálculos, conforme veremos a seguir.
NÚMERO TOTAL DE PESSOAS RESIDENTES NA
EDIFICAÇÃO
O número de moradores da edificação é dado pela Equação 3:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Onde:
Npessoas : número de pessoas por unidade habitacional
Naptos : número de apartamentos na edificação
Ntotal : número total de pessoas na edificação
NÚMERO TOTAL DE PESSOAS RESIDENTES NA
EDIFICAÇÃO
Para cálculo da demanda de água quente na edificação, adotou-se o consumo diário por
pessoa de 60 litros/dia, conforme ABNT NBR 15569-2008.
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Onde:
Vpessoa : volume do consumo diário de água quente por pessoa para banho
Ntotal : número total de pessoas residentes na edificação
Vconsumo : Volume de água quente consumido diariamente na edificação
Ntotal = Naptos  × Npessoas
Ntotal =  40  × 4
Ntotal = 160pessoas
Vconsumo = Vpessoa  × Ntotal
Vconsumo = 60 × 160
Vconsumo = 9.600 litros/dia
O volume consumido diariamente por unidade habitacional será de 240litros/dia, ou seja,
divide-se o volume total consumido por dia na edificação pelo número de apartamentos.
CÁLCULO DO RESERVATÓRIO
O cálculo do volume do sistema de armazenamento de acordo com o método F-chart da NBR
15569 é definido pela seguinte fórmula:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Onde:
Varmaz : volume do sistema de armazenamento do sistema de aquecimento solar (m3). Deve
ser maior ou igual a 75% do volume de consumo.
Vvolume : volume de consumo de água quente necessária.
Tconsumo : temperatura de utilização (
oC). Sugere-se utilizar 40oC.
Tarmaz : corresponde a temperatura de armazenamento da água (
oC). Deve ser igual ou maior
do que a temperatura de consumo.
Tambiente : temperatura média anual do local de instalação.
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Varmaz  =  
Vvolume ×(Tconsumo− Tambiente)
(Tarmaz− Tambiente)
Varmaz =  
9600×(40−25)
(60−25)
Varmaz =  4.114 litros 
CÁLCULO DA ÁREA COLETORA
Os sistemas de aquecimento solar são dimensionados conforme as necessidades energéticas
médias anuais. Para esse tipo de tecnologia, não se considera a ponta máxima previsível do
consumo energético, mas o balanço médio anual.
O cálculo da energia útil para aquecimento do total de água quente utilizada diariamente na
edificação será dado pela equação:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Onde:
Dmês : demanda energética (KWh/mês).
Qdia : consumo diário de água quente a referência Tacs (litros/dia).
N : número de dias do mês considerado, dias/mês,
Tacs : temperatura utilizada para a quantificação do consumo de água quente (
oC).
Taf : temperatura de água fria da rede (oC).
Dmês = 9.600 × 30 × (40-25) × 1,16 × 10-3.
Dmês = 5011 KWh/mês.
Uma vez dimensionado o valor de energia útil mensal, o próximo passo é verificar a tabela do
Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO, 2016), que disponibiliza
os fabricantes de sistemas e equipamentos para aquecimento solar de água credenciado no
Programa Brasileiro de Etiquetagem, onde consta a produção média mensal de energia dos
equipamentos por metro quadrado e por tipo de coletor.
Para dimensionamento da área coletorapodemos utilizar os coletores do fabricante X, marca Y,
modelo Z com 2m2, pressão de funcionamento 400KPa e produção média mensal de energia
por coletor de 161,2KW e por metro quadrado de 80,6KW.
Dmês  =  Qdia × N × (Tacs − Taf) × 1,16 × 10
−3
Para a demanda de água quente do nosso exemplo será preciso uma área de 62m2, que será
suprida por 31 placas de 2m2 cada.
TUBULAÇÃO
A tubulação faz a conexão entre os componentes do sistema, como: a ligação entre o
fornecimento de água fria e o painel, entre o painel e o reservatório de água quente e entre o
reservatório até o local de utilização. A tubulação de saída da água quente do coletor precisa
suportar altas temperatura e pressão.
A tubulação de aquecimento solar deve ser projetada e instalada com os mesmos padrões de
aquecimento a gás ou eletricidade, de acordo com a norma ABNT NBR 7198 – Projeto de
instalações prediais de água quente.
De acordo com a Associação Brasileira de Normas Técnicas (1993), o cobre tem uma
durabilidade de cerca de 50 anos, suporta temperatura de até 1.100oC sem deformação, sem
trinca e sem desgaste. Era o material mais utilizado na tubulação de água quente, mas tem o
inconveniente de precisar de isolamento térmico pois transmite o calor da água para as
paredes.
No mercado brasileiro, existem novos materiais plásticos para condução de água quente que
não precisam de isolante térmico, por exemplo:
POLICLORETO DE VINILA CLORADO (CPVC)
Dispensa soldas e tem juntas feitas a frio com adesivos apropriados, o que garante uma maior
velocidade na execução.
POLIETILENO RETICULADO (PEX) E O
POLIPROPILENO COPOLÍMERO RANDON (PPR)
Sendo o PPR, feito com juntas feitas por termofusão.
Os isolamentos mais comuns utilizados são a manta de lã de vidro ou de rocha e o poliuretano
expandido. O poliuretano só pode ser utilizado na faixa de temperatura de 90oC. Quanto maior
a espessura do isolante, melhor será o grau de isolamento do reservatório térmico. O aço
carbono revestido é utilizado em grandes reservatórios. O revestimento externo pode ser feito
de aço galvanizado, inox, alumínio, material plástico etc.
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VEM QUE EU TE EXPLICO!
As etapas de funcionamento de um sistema de aquecimento solar
Circulação por termossifão
VERIFICANDO O APRENDIZADO
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Nestes módulos, abordamos três fontes intermitentes de energia: a fonte eólica e a fonte solar
e o sistema de aquecimento de água. A localização geográfica do Brasil permite um grande
aproveitamento das fontes eólica e solar. Foram implantados diversos parques eólicos
localizados principalmente na região Nordeste, Sul e Sudeste com diferentes regimes de
ventos. No caso da energia solar, os elevados índices de irradiação em quase todo o território
nacional faz com que haja pouca variação na incidência solar ao longo do ano mesmo no
CONCLUSÃO
inverno. As instalações de painéis fotovoltaicos no Brasil estão crescendo de maneira
acelerada.
Os desafios relacionados a ambas as fontes estão ligados à natureza variável delas: a
presença da irradiação solar e a velocidade do vento.
O sucesso das usinas eólicas e da energia solar tem contribuído para aumentar a participação
de fontes renováveis na matriz elétrica do país e mais acentuadamente nos próximos anos.
 PODCAST
Agora, o especialista finaliza realizando a recapitulação dos conteúdos abordados no conteúdo.
AVALIAÇÃO DO TEMA:
REFERÊNCIAS
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. ANEEL. Informações técnicas. Geração
distribuída. Brasília, 2016a. Consultado na internet em: 14 jul. 2020.
AMÉRICA DO SOL. Guia de microgeradores fotovoltaicos. Consultado na internet em: 10
jul. 2020.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA EÓLICA. ABEEOLICA. Capacidade instalada.
CENTRO DE GESTÃO E ESTUDOS ESTRATÉGICOS. CGEE. Programa demonstrativo
para inovação em cadeia produtiva selecionada: energia eólica. Brasília, DF: Centro de
Gestão e Estudos Estratégicos, 2020.
CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA. CRESESB. Centro de
Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL). Programa SunData. 2016. Consultado na internet em:
20 mar. 2020.
TOLMASQUIM, M. Energia renovável: hidráulica, biomassa, eólica, solar, oceânica. Rio de
Janeiro, RJ: EPE, 2016.
NEOSUN. Eólico – Concepção. Consultado na internet em: 20 jan. 2020. São Paulo, 2016.
Consultado na internet em: 10 jul. 2021.
PEREIRA, E. B.; MARTINS, F. R.; GONÇALVES, A. R.; COSTA, R. S.; LIMA, F. L.; RÜTHER,
R.; ABREU, S. L.; TIEPOLO, G. M.; PEREIRA, S. V.; SOUZA, J. G. Atlas brasileiro de energia
solar. 2.ed. São José dos Campos: INPE, 2017. 55p.
EXPLORE+
Para saber mais sobre os assuntos explorados neste conteúdo, consulte
Os projetos de chamada estratégia do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento
Tecnológico do Setor de Energia Elétrica disponíveis no site da ANEEL.
A plataforma do software de gerenciamento de energia limpa RETScreen disponível no
site do Ministério dos Recursos Naturais do Canadá.
O conhecimento em energia solar fotovoltaica disponível no site América do Sol.
O banco de dados Sundata do Cresesb.
CONTEUDISTA
Ney Joppert Junior