EMENTA ENERGIAS ALTERNATIVAS OK

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIAS 
CURSO DE GRADUAÇÃO EM LICENCIATURA EM FÍSICA
Gizelly Cardoso Lima
ENERGIAS ALTERNATIVAS
FORTALEZA – CE
2017
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIAS 
CURSO DE GRADUAÇÃO EM LICENCIATURA EM FÍSICA
Gizelly Cardoso Lima
ENERGIAS ALTERNATIVAS.
EMENTA: Fundamentos de energia solar: efeitos térmico e fotoelétrico; transporte radiativo na atmosfera terrestre. Fundamentos de energia eólica: noções de circulação geral atmosférica, circulações de larga escala, mesoescala e escala local. Outras formas alternativas de energia.
FORTALEZA – CE
2017
lista de ilustrações
Figura 1 - Processos de conversão energética	7
Figura 2 - Sistema energético generalizado	8
Figura 3 - Efeito estufa	11
Figura 4 - Radiação Global Brasileira	18
Figura 5 - Geração de Perda de uma máquina térmica	27
Figura 6 - Geração de energia elétrica a partir do vapor	28
Figura 7 - Geração Geotérmica	29
Figura 8 - Caldeiras	31
Figura 9 - Vista aérea da Usina de Ivanpah, nos Estados Unidos, a maior do mundo!	32
Figura 10 - Estrutura e função de uma célula cristalina solar	36
Figura 11 - Características físicas do vento	41
Figura 12 - Velocidade do vento e sua caracterização	42
Figura 13 - Sistema Eólico	43
Figura 14 - A matriz energética brasileira (2014)	49
Figura 15 - Composição do bagaço de cana-de-açúcar.	51
Sumário
Eixo Temático: Conteúdo Programático da Ementa da disciplina de Energias Alternativas.
Linha de pesquisa: Estudar as diversas formas de energias alternativas, tendo como base os conceitos da física aplicada, visando compreensão e atuação nos problemas ambientais provocados pelo uso indiscriminado dos combustíveis fósseis.
1. Introdução as energias alternativas 
A questão energética interfere em todos os conjuntos das atividades econômicas e sociais do país. 
Nas diversas atividades de produção ou na distribuição de consumo de bens e serviços é necessário a utilização cada vez maior de energia como resultado de um crescente desenvolvimento material. 
A energia é indispensável à sobrevivência diária, pois proporciona “serviços essenciais” à vida humana – calor para aquecimento, para cozinhar e para atividades manufatureira, ou força para o transporte e para o trabalho mecânico. 
Os sustentadores do desenvolvimento de uma nação é que deveriam avaliar a disponibilidade de energia, o seu acesso à população e principalmente o nível de sustentabilidade da geração de energia. As fontes energéticas que são representadas por combustíveis e pelo fornecimento de insumos energéticos são diversas e mal distribuídas pelo território nacional. 
O papel do Estado deveria ser de promover parcerias na realização de pesquisas visando o desenvolvimento e a difusão de tecnologia ambientalmente saudáveis. Atuando no estímulo do uso de fontes de energias limpas e renováveis com racionalização do uso. 
O preço de mercado de insumo energético convencional não reflete efeitos sobre o meio ambiente e nem sobre a qualidade da atmosfera (efeito estufa, chuva ácida, etc.). Ao país é fundamental que haja correção nas distorções, proporcionando instrumentos para inibir forma de consumo indesejável, como por exemplo, a taxação seletiva e progressiva. 
A tecnologia e os níveis de preços dos combustíveis fósseis aumentam à medida em que o produto fica escasso e a tendência é subir mais ainda até que possam existir outras formas de energia de fluxo contínuo tornando essa substituição totalmente vantajosa. Atualmente a energia necessária a esses serviços provém de combustíveis – gás natural, petróleo, carvão, turfa e energia nuclear convencional, que são as fontes de energia não-renováveis. 
Existem outras fontes de energia primárias, tais como: energia solar, eólica, das marés e das ondas ou hidráulica, madeiras, vegetais, esterco, quedas d’água, fontes geotermais, além da força muscular humana e animal. Essas são as fontes de energia renováveis. 
Os sistemas de energia alternativa ainda se encontram num estágio de desenvolvimento relativamente primitivo. Mas já oferecem ao mundo fontes de energia primária potencialmente enormes, sempre sustentáveis e, de alguma forma, sempre à disposição. A energia solar é comum em muitas partes da Austrália, Grécia e Oriente médio. A energia eólica é bastante utilizada na Califórnia e na Escandinávia. Desperdiça-se grande quantidade de energia devido a ineficiência de planejamento e ao funcionamento dos equipamentos usados para converter a energia aos serviços necessários.
1.1 Lei da conservação da energia; formas de energia; conversão e eficiência 
Uma característica essencial das formas energéticas é a possibilidade de interconversão. Isto é, uma forma energética eventualmente pode ser convertida em outra, de modo espontâneo ou intencional, permitindo neste último caso adequar-se a alguma utilização desejada. Frequentemente se empregam as expressões “processos de geração de energia” ou “sistemas de consumo de energia”, quando o mais correto, a rigor, seria falar em “processos de conversão de energia”. A figura a seguir apresenta as principais formas de conversão entre seis formas básicas de energia, podendo se observar que, enquanto alguns processos foram desenvolvidos e aperfeiçoados pelo homem, outros só são possíveis mediante processos naturais, como a conversão energética muscular e a fotossíntese. Nesta figura pode-se também notar como são bastante variados os processos que resultam em energia térmica e como a energia mecânica está envolvida em diversos processos tecnológicos.
Figura 1 - Processos de conversão energética
Quaisquer que sejam os sistemas considerados e as formas de energia envolvidas, todos processos de conversão energética são regidos por duas leis físicas fundamentais, que constituem o arcabouço essencial da ciência energética. A História da Ciência se refere frequentemente ao caráter revolucionário destas formulações e à dificuldade de sua assimilação pelos estudiosos ao longo do tempo, como decorrência do impacto de seus conceitos. Estas relações físicas de enorme importância, que se sustentam apenas pela observação de processos reais desde o microcosmo até a escala das estrelas, são apresentadas a seguir. A primeira lei básica é a Lei da Conservação da Energia, segundo a qual energia não se cria nem se destrói, salvo nos casos em que ocorrem reações atômicas ou nucleares e então podem se observar transformações de massa em energia. Como na grande maioria das situações, tal dualidade massa-energia não precisa ser considerada, é suficiente afirmar que, em um dado período de tempo, a somatória dos fluxos e estoques energéticos em um processo ou sistema é constante, como se apresenta na expressão abaixo;
(1)
Por exemplo, seja uma panela com água em aquecimento. A elevação da temperatura do líquido é a manifestação sensível de sua mudança de estado e está correlacionada diretamente com o incremento de energia no sistema, resultante de um aporte de energia pela chama do gás sob a panela. Pense em alguma conversão energética e procure imaginar os fluxos na entrada, saída e a acumulação de energia no sistema. Note-se que a aplicação desta lei pressupõe uma convenção de sinais para os fluxos energéticos, convencionando-se como positivo o que tende a aumentar a energia do sistema. A Lei da Conservação de Energia também é conhecida como Primeira Lei da Termodinâmica e permite efetuar balanços energéticos, determinar perdas, quantificar enfim, fluxos energéticos. Baseia-se também nesta lei, o conceito de desempenho ou eficiência energética de um sistema energético, henerg, relacionando o efeito energético útil com o consumo energético no sistema, como se explicita na figura e equações abaixo, válida para um sistema em regime permanente, isto é, quando não há variação da energia no sistema. Lembre-se que, como energia nunca desaparece, mas apenas mudade forma, a palavra “consumo” refere-se efetivamente ao aporte de energia.
Figura 2 - Sistema energético generalizado
(2)
A outra lei física básica dos processos energéticos é a Lei da Dissipação da Energia, segundo a qual, em todos os processos reais de conversão energética, sempre deve existir uma parcela de energia térmica como produto. Por exemplo, se o objetivo do processo é transformar energia mecânica em calor, tal conversão pode ser total, aliás como ocorre nos freios, mas se o propósito for o inverso, a conversão de energia térmica em energia mecânica será sempre parcial, pois uma parcela dos resultados deverá sempre ser calor. Em outras palavras, existem inevitáveis perdas térmicas nos processos de conversão energética, que se somam às outras perdas inevitáveis decorrentes das limitações tecnológicas e econômicas dos sistemas reais, tais como isolamento térmico imperfeito, atrito, perdas de carga e inércias, entre outras.
1.2 Combustíveis fósseis e mudança climática 
Para entendermos melhor os diferentes tipos de climas do Planeta, devemos compreender os fatores que o influenciam. Ou seja, para aprendermos sobre os diversos climas é preciso entender as características e a dinâmica da atmosfera atuando sobre os diferentes lugares em sua permanente interação com a superfície. Desse modo, os elementos climáticos (temperatura, pressão, umidade, precipitação, vento etc.) são influenciados por características geográficas da paisagem, diferenciadas de local para local. 
Os fatores que influenciam diretamente esses elementos são: latitude, altitude, relevo, vegetação, continentalidade/maritimidade e atividades humanas. A latitude é um importante fator, pois trata do posicionamento do Planeta em relação a outros astros, condicionando a quantidade de energia na Terra. A rotação da Terra, por exemplo, em volta do seu próprio eixo proporciona a diferenciação entre dia e noite em um determinado local do Planeta, implicando uma diferenciação na entrada de energia na atmosfera. A inclinação do eixo da terra e o próprio movimento de translação (movimento da Terra ao redor do sol) também propiciam uma diferenciação de distribuição da energia emitida pelo Sol. Em resumo, a latitude de um lugar, como também a época do ano, define o ângulo com que os raios do Sol irão incidir sobre a superfície daquele local. 
O relevo é outro fator que influencia o clima de uma região, principalmente em decorrência de variação de altitude, forma e posição, e orientação das vertentes. Quando consideramos dois lugares com a mesma latitude, porém com diferentes altitudes, o local com maior altitude terá menor temperatura, enquanto o local mais próximo ao nível do mar terá maior temperatura. A cada 100m de elevação da altitude diminui-se aproximadamente 0,3°C. A posição e forma de um relevo podem favorecer ou dificultar fluxos de calor e umidade entre áreas próximas, como, por exemplo, a Cordilheira dos Andes que barra a penetração de umidade proveniente do Oceano Atlântico e Amazônia para o oeste do Chile, deixando o clima do deserto de Atacama mais seco. 
A orientação do relevo em relação ao sol irá definir as vertentes mais aquecidas e mais secas, bem como aquelas mais frias e úmidas, influenciando assim no clima da região. A vegetação serve como regulador de umidade e temperatura de uma região. Nota-se que no interior de áreas de florestas a temperatura é inferior às áreas vizinhas não florestadas. Isso se dá por causa da copada e troncos das árvores, que barram a radiação solar direta. 
Nessas áreas florestadas o processo de infiltração de água no solo é mais eficiente, havendo maior disponibilidade de água no solo dessas regiões, o que torna a evaporação e evapotranspiração mais hábeis, deixando o ambiente mais úmido e frio. Os mares e oceanos são fundamentais para regulação do clima no Planeta, pois são os principais fornecedores de água para a Troposfera e controlam a distribuição de energia entre continentes e oceanos. Os mares e oceanos induzem a temperatura do ar conforme a temperatura da superfície aquática, fazendo com que o ar se resfrie a partir das baixas temperaturas das águas superficiais frias, inibindo a formação de nuvens e, consequentemente, de chuvas. 
O contrário acontece em locais de superfícies aquáticas quentes, esquentando o ar e elevando a formação de nuvens e chuvas. Os locais muito distantes dos mares e oceanos sofrem com o efeito da continentalidade, sentido principalmente nas temperaturas e umidades do ar. Nessas regiões a amplitude térmica é acentuada, pois o aquecimento e resfriamento do ar se tornam mais rápido. 
As atividades humanas também atuam sobre o clima. Como exemplo disso temos as ilhas de calor, ou ilhas térmicas, que são áreas de intensidade distinta de aquecimento do ar, criadas pela modificação da paisagem natural pela ocupação humana, onde é possível observar que a temperatura dos centros urbanos é superior as regiões periféricas. Contribuem significativamente para a ocorrência desse fenômeno as atividades de produção, notadamente industriais, de transporte e lazer das grandes cidades, no entanto, é importante ressaltar que os centros urbanos apresentam diversas contribuições para a alteração do clima nessas regiões. (MENDONÇA, 2007)
1.2.1 Efeito Estufa 
A atmosfera depende de algumas condições para que tenha possibilidades de abrigar vida. Uma das condições é a temperatura, que certamente não seria da forma como é hoje sem o Efeito Estufa. 
O Efeito Estufa é um processo natural de aquecimento da atmosfera, que se não existisse, o planeta teria cerca de -18°C de temperatura média (ao invés de 15°C), existiria abundantemente água em estado sólido e seguramente não haveria condições de abrigar vida. O efeito estufa funciona da seguinte forma: a radiação atravessa a atmosfera e aquece a superfície da Terra. 
Parte dessa energia retorna a atmosfera, mas nem toda ela consegue atravessar a camada de gases que envolvem o Planeta, como o vidro de uma estufa. Cerca de 30% da radiação solar é refletida de volta ao espaço pela atmosfera (nuvens e partículas) e pela superfície da Terra. A reflexividade (Albedo) da superfície do planeta varia de acordo com o material refletivo. 
De modo simplificado, a radiação solar que atinge a superfície é convertida em energia térmica, aquecendo o Planeta e evaporando a água. O calor da superfície sobe para a atmosfera, uma parte dele vai para o espaço e outra parte é absorvida pelos gases do efeito estufa, que emitem a energia de volta para o Planeta. Quanto mais alta a coluna de gases do efeito estufa maior é a quantidade de energia emitida de volta, reaquecendo a superfície e a baixa atmosfera, num processo constante.
Figura 3 - Efeito estufa
Os chamados “Gases do Efeito Estufa” (GEEs) se concentram naturalmente na atmosfera, representando menos de um milésimo da atmosfera total. Sem esses gases não existiria efeito estufa. Como esses gases absorvem os raios infravermelhos, servindo como um cobertor do Planeta, o aumento de sua concentração pode bloquear a saída dos raios refletidos pela superfície terrestre, causando o aumento da temperatura média da atmosfera. 
Os principais gases do efeito estufa (GEEs) são o vapor de água, o dióxido de carbono (CO2), os clorofluorcarbonos (CFCs), o metano (CH4) e o óxido nitroso (N2O). Esses gases têm diferentes concentrações e ciclos de produção e destruição, bem como diferentes potenciais de aquecimento do Planeta. 
Os GEEs citados acima se diferenciam dos principais gases que constituem 99,97% do ar, como oxigênio e nitrogênio, no que se refere à capacidade de absorção da energia solar. O oxigênio e o nitrogênio são diatômicos (dois átomos ligados um ao outro) e não podem absorver o infravermelho e os comprimentos de ondas visíveis do Sol, dessa forma, não são aquecidos e não aquecem o ar quando atingidos pela luz solar e pelo infravermelho irradiado para cima pela superfície terrestre. O mesmo se aplica aos gases monoatômicos (constituídos de um átomo), como o argônio.Os gases constituídos por três ou mais átomos, como o dióxido de carbono, o vapor d’água e o metano, são capazes de absorver a radiação infravermelha, pois suas moléculas são maiores e vibram naturalmente nas mesmas frequências que o infravermelho
Atuando como um isolante térmico da estufa gasosa do Planeta, o ar da camada atmosférica exterior é mais frio, assim, o aumento de temperatura pela estufa gasosa no nível da superfície poderá ocasionar uma queda de temperatura na camada atmosférica exterior. Nesse caso, pode-se afirmar que em função do isolamento térmico do Planeta, a atmosfera exterior é mais fria se caso não estivesse isolada termicamente.
1.2.2 Aquecimento Global
Um dos principais assuntos discutidos atualmente refere-se ao aquecimento global e às possíveis consequências a ele relacionadas, como o aumento da temperatura média do Planeta, o derretimento do gelo polar, o aumento do nível do mar, a influência sobre fenômenos como tempestades, furacões etc. A existência do efeito estufa em si não é motivo de preocupação, pois, como já vimos anteriormente, esse fenômeno é essencial para a absorção do calor do Sol e para manutenção da vida na Terra. 
O que preocupa é o incremento dos chamados “Gases do Efeito Estufa” na atmosfera pelas atividades humanas, a capacidade destes em aumentar o aquecimento do Planeta e como isso pode afetar o complexo sistema de vida. A concentração dos gases do efeito estufa (GEEs) vem aumentando devido a ações antrópicas, decorrente de atividades econômicas e sociais, provocando alterações na biosfera, causando quase a duplicação da concentração desses gases. 
Os principais deles são o dióxido de carbono (CO2) e o metano (CH4), sendo o primeiro responsável por 80% do aquecimento causado pelo ser humano, enquanto o segundo, que é 21 vezes mais potente que o dióxido de carbono, tem aumentado em quantidade de cerca de 1% ao ano nas últimas décadas. 
A principal fonte de emissão de dióxido de carbono é resultante da queima de combustíveis fósseis como o carvão, petróleo e o gás natural. As principais fontes de emissão do metano estão na atividade agrícola, produzida pela fermentação das bactérias anaeróbicas associadas aos arrozais, pela fermentação entérica dos ruminantes, pelo desflorestamento e pela queima de biomassa. O óxido nitroso é emitido pelo uso de fertilizantes e por atividades industriais.
As mudanças climáticas e o aquecimento global estão em discussão há algum tempo e a comunidade científica tem feito várias pesquisas para saber a real causa dessas mudanças. Uma parcela da comunidade científica mundial acredita que essas alterações são parte de um processo natural, longo e dinâmico de glaciação do Planeta, sendo o aumento da temperatura consequência deste processo.
Porém, as principais atribuições das causas do aumento da temperatura, são as ações antrópicas, que aumentam a quantidade de gases do efeito estufa, principalmente por meio da queima de combustíveis fósseis, petróleo, carvão e gás natural. Além de serem fontes de energia muito utilizadas nos tempos atuais, elas são limitadas, ou seja, o Planeta possui um estoque dessa fonte de energia que deve se esgotar em algum tempo. Por isso, essas fontes são chamadas de fontes não renováveis de energia. 
A era em que essas fontes se formaram é o chamado “Período Carbonífero” ou Era Paleozoica. Esse foi o período de surgimento de grandes florestas e consequentemente das grandes jazidas de carvão. Árvores que caíam em pântanos eram soterradas sem se decomporem, pois havia pouco oxigênio. 
O soterramento levava a um aumento da temperatura, causando transformações químicas, resultando no carvão. (CRPM). Os cataclismos geológicos dessa época foram responsáveis pelo soterramento de quantidades imensas de biomassa a grandes profundidades. Essa biomassa viria a se tornar os combustíveis fósseis tanto utilizados hoje, e que liberam para a atmosfera uma quantidade imensa de CO2. 
Voltando aos tempos atuais, a partir da década de 1980 são observados com maior frequência os chamados “Fenômenos Climáticos Extremos”, que são eventos como furacões, enchentes, secas, tornados, que podem causar catástrofes sociais e ambientais. Esses eventos demonstram sinais de mudanças no clima do Planeta. 
Apesar de que sempre haverá incertezas sobre um sistema tão complexo como o clima e tão diversificado quanto o ecossistema do nosso Planeta, as evidências, no caso o aumento desses fenômenos climáticos extremos, tornam cada vez mais essas incertezas em medo e alerta. (UNFCCC, 2012) 
Em 1988 houve a primeira reunião entre governantes e cientistas sobre mudanças climáticas, realizado em Toronto no Canadá. A partir daí a ONU (Organização das Nações Unidas) criou um órgão chamado IPCC (Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas) composto por delegações de 130 países do mundo todo com a função de promover avaliações regulares sobre mudanças climáticas. A criação desse órgão se deu pela percepção de que as atividades humanas exercem forte influência sobre o clima global. (IPCC, 2012) 
O primeiro relatório do IPCC foi publicado em 1990, e demonstrou uma necessidade de criação da Convenção do Quadro das Nações Unidas para Mudanças do Clima, convenção essa formada para governantes discutirem políticas sobre mudanças climáticas. De acordo com esse relatório, seria preciso a redução em 60% de todas as emissões de CO2 para a atmosfera. Um segundo relatório foi publicado em 1995 e os estudiosos chegaram à conclusão de que as atividades humanas causam impacto significativo no clima global, criando assim um grande desafio aos grupos defensores da utilização das fontes de energia não renováveis fosseis. A partir de 1995 foram criadas as Conferências das Partes, que seriam encontros para a discussão dos assuntos relacionados às mudanças climáticas globais. (MMA, 2012)
 
Na Conferência das Partes de 1997, no Japão (Kyoto), foi assinado o “Protocolo de Kyoto”, que se constituiu no primeiro acordo que vincula o comprometimento dos países com as maiores emissões de gases do efeito estufa em diminui-las. O objetivo deste Protocolo é estabilizar a concentração de gases do efeito estufa a um nível que impeça a interferência perigosa no sistema climático. 
O protocolo estabelece que os países industrializados devem reduzir suas emissões para 5,2% em relação aos níveis de 1990, para o período de 2008-2012. Estabeleceu-se ainda no Protocolo de Kyoto três mecanismos de flexibilidade para a redução de emissões, a Implementação Conjunta (Joint Implementation), Comércio de Emissões (Emissions Trading) e Mecanismo de Desenvolvimento Limpo – MDL (CDM – Clean Development Mecanism). Em contrapartida à teoria do aquecimento global pelo acréscimo dos gases de estufa pelas atividades antrópicas, da existência do efeito estufa e da camada de ozônio, atualmente há algumas vertentes que defendem a inexistência destes fenômenos.
1.2.3 Combustíveis fósseis
Como já vimos, um dos principais responsáveis pela emissão de gases de efeito estufa na atmosfera é a utilização de combustíveis fósseis, e sabemos que na grande maioria dos países essa fonte de energia é utilizada em larga escala, sendo considerada uma fonte de energia não renovável, pois não pode ser renovada em curto período de tempo. Porém, esta não é a única fonte de energia disponível no mundo. No intuito de diminuir emissões e frear o aquecimento global, alguns países estão buscando fontes alternativas de energia, as chamadas “fontes renováveis”. 
As fontes de energias renováveis são menos poluentes e recebem essa denominação por serem provenientes de recursos capazes de se refazer em curto período de tempo, ao contrário dos não renováveis. A matriz energética de um país se trata da quantidade de energia disponível neste para sua utilização. As empresas multinacionais, grandes organizações financeiras, empresas estatais e órgãos reguladores são agentes com grande participação na dinâmica do mercado energético. Os derivados de petróleo integram a maior parte da energia utilizadano mundo: 
• Derivados de Petróleo – 42,3% 
• Eletricidade – 16,2% • Gás Natural – 16,0% 
• Energias Renováveis – 13,6% 
• Carvão Mineral – 8,4% 
• Outras – 3,5% (IEA, 2007)
Por ser a fonte de energia mais utilizada no mundo, o petróleo passa a exercer não apenas um papel econômico, mas também geopolítico. Nesse contexto, os derivados de petróleo trazem consigo, juntamente com a riqueza, toda uma série de disputas comerciais, financeiras e diplomáticas, bem como conflitos. 
A questão da utilização de derivados de petróleo está ligada ao rápido crescimento da utilização de energia, e depende também da quantidade de fontes disponíveis, que nesse caso é abundante. Por ser muito poluente, as únicas alternativas para a não utilização dessas fontes de energia não renováveis seria a restrição de oferta dos derivados de petróleo, e principalmente o uso de fontes alternativas de energia renovável. 
Assim, a partir da queda na produção de petróleo, a disponibilidade de outras fontes de energia será decisiva para a economia global. Nesse contexto a bioenergia é uma alternativa viável e promissora, para ocupar maior espaço na matriz energética mundial, principalmente para atender ao setor de transportes. 
Mas para que essa tendência funcione, é preciso observar características específicas de cada região avaliando as potencialidades agrícolas e o desempenho energético ambiental de cada cultura. 
No Brasil, essa tendência já é uma realidade. A matriz energética brasileira apresenta a matriz energética mais renovável do mundo com 45,3% de sua produção proveniente de fontes como recursos hídricos, biomassa e etanol, além de energia solar e eólica. Essa atual situação se deu desde 1975 com a implementação da política de incentivo ao etanol, que desenvolveu a pesquisa sobre o biocombustível no Brasil. 
Comparados com os combustíveis provenientes do petróleo, os biocombustíveis apresentam características que o colocam como menos poluentes. Analisando alguns fatores, pode-se dizer que a utilização de biocombustíveis não aumentaria o aquecimento da atmosfera. Isso ocorre em virtude da biomassa (cana-de-açúcar, soja, mamona etc..) capturar em seu crescimento parte do carbono emitido, caracterizando-se como um sistema fechado de emissão e captura de carbono. 
Ao contrário da utilização dos combustíveis fósseis, que não contempla um ciclo de liberação e captura, sendo que a quantidade liberada não é capturada totalmente, já que são fontes de CO2 estocadas a milhares de anos no período carbonífero e em quantidades não compatíveis com a quantidade capturada por estes agentes absorvedores. 
Porém, sabe-se que as queimadas emitem grandes quantidades de gases do efeito estufa. Desse modo, caso seja preciso substituir uma floresta (fonte de absorção de carbono) por uma área de plantio novo para produção de biocombustíveis, as emissões geradas para essa mudança de uso do solo podem acarretar numa restrição da atividade, pois afetariam o equilíbrio quantitativo entre as emissões e capturas de carbono.
1.3 Fontes de energia alternativa. 
Fontes alternativas de energias é uma alternativa ao uso das fontes tradicionais de energia (petróleo, gás natural, hídrica e carvão mineral principalmente). As fontes alternativas de energias são renováveis, pouco ou não poluentes, além de apresentar a vantagem de ter baixos índices de agressão ambiental.
 
Exemplos de fontes alternativas de energia:
Energia eólica - gerada a partir do vento.
Energia solar (fotovoltaica) - gerada a partir dos raios solares. 
Energia geotérmica – obtida a partir do calor contida nas camadas mais
profundas da terra.
Energia mare motriz (dos mares) – gerada a partir da energia contida nas ondas do mar.
Biomassa – obtida a partir de matéria orgânica, principalmente de origem vegetal como, por exemplo, cana-de-açúcar.
Nuclear - gerada através do processo de fissão do núcleo do átomo de urânio enriquecido
Biogás – obtido dos gases provenientes da decomposição de resíduos orgânicos. 
Grande parte destas fontes é renovável. Essa é uma grande vantagem, pois, como sabemos o petróleo um dia vai acabar e o país que ficar dependente desta fonte de energia poderá enfrentar sérios problemas energéticos. Apresentam baixo ou nenhum índice de geração de poluição ambiental, embora sejam mais caras para implantar o sistema de geração de energia, em longo prazo, são capazes de gerar economia. Unidades geradoras podem ser instaladas em áreas de difícil acesso para a chegada de fontes tradicionais de energia. Diversificação de fontes de energia alternativa tira do país a dependência das fontes tradicionais, que muitas vezes podem ser controladas por empresas estrangeiras ou outros países.
 
1.3.1 Fontes alternativas de energia no Brasil
 
Infelizmente o Brasil ainda usa pouco as fontes alternativas de energia. Grande parte da energia elétrica gerada no Brasil tem como origem as usinas hidrelétricas. Esse é um grande problema, pois em casos de crise hídrica (ocasionada por falta de chuvas, como ocorreu no início de 2014) pode ocasionar necessidade de racionamento de energia, além do aumento do preço.
Embora tenha um programa de uso do etanol, o país ainda é muito dependente dos combustíveis fósseis (gasolina e diesel) para abastecer a frota de veículos. Além de serem fatores de poluição do ar, são fontes não renováveis de energia.
A boa notícia é que vem aumentando no Brasil, nas últimas décadas, o uso de duas importantes fontes alternativas de energia: eólica e solar. Espera-se que o país possa fazer crescer, nos próximos anos, o uso dessas fontes alternativas em sua matriz energética.
2.Energia solar térmica 
“A energia é essencial para que se atinjam os objetivos econômicos, sociais e ambientais inter-relacionados ao desenvolvimento sustentável. Mas, para alcançar esta importante meta, os tipos de energia que produzimos e as formas como utilizamos terão que mudar. Do contrário, danos ao meio ambiente ocorrerão mais rapidamente, a desigualdade aumentará e o crescimento econômico global será prejudicado.
(UNDP World Energy Assessment: Energy and Challenge of Sustainability)
O uso da energia solar vem crescendo em suas diversas alternativas de aproveitamento: térmica a baixas temperaturas, térmica a altas temperaturas e fotovoltaica, tanto para aplicações rurais isoladas quanto para o uso urbano interconectado à rede elétrica.
Figura 4 - Radiação Global Brasileira
Para fins de aquecimento de água para banho, por exemplo, é uma outra aplicação com interessante desdobramento tanto do ponto de vista de redução da demanda de ponta do sistema elétrico brasileiro – na medida em que a maior disseminação desta tecnologia permite deslocar os tradicionais chuveiros elétricos utilizado no banho de boa parcela da população brasileira – quanto do ponto de vista do atendimento energético a comunidades isoladas e excluídas energeticamente.
Potencial brasileiro de conservação de energia no aquecimento de água é bastante significativo, apontando a aplicação, em larga escala, dos aquecedores solares como uma saída extremamente viável e competitiva.
2.1 A natureza da radiação solar 
Denomina-se radiação, ou energia radiante, à energia que se propaga sem necessidade da presença de um meio material. O termo radiação é igualmente aplicado para designar o próprio processo de transferência desse tipo de energia.
A verdadeira natureza da radiação ainda é objeto de permanente investigação científica no âmbito da Física Moderna. Dependendo da experiência que for conduzida, a energia radiante ora revela uma natureza corpuscular (fóton), ora se comporta como uma onda eletromagnética.
Na escala subatômica as propriedades ondulatória e corpuscular coexistem e se completam. O aspecto ondulatório é o que interessa à Agrometeorologia. Sob a ótica ondulatória, a radiação, se caracteriza pelo comprimento de onda (λ), ou pela frequência de oscilação (υ).
O comprimento de onda é definido como a distância que separa duas cristas consecutivas; a frequência pelonúmero de cristas que passa por um ponto de referência, na unidade de tempo. O comprimento de onda é normalmente expresso em centímetros ou em micra (1Å =10-4 cm) e a frequência em ciclos por segundo, ou Hertz (Hz).
A transmissão da energia do Sol à Terra ocorre através de ondas eletromagnéticas. Esta proporção é feita no vácuo em todas as direções a uma velocidade aproximada de 300.000 km s-1.
2.2 Aplicações da energia solar em baixas temperaturas 
Conversão energia solar em calor = material que absorva luz → coletor: capaz de distribuir a energia radiante absorvida por graus de liberdade internos associados com a energia cinética do movimento das moléculas; Terra e sua atmosfera são exemplos de coletores.
A absorção de energia solar aumentará a temperatura do coletor ou transferir energia para um reservatório (se o coletor estiver conectado a um). O coletor também emitirá radiação e pode perder energia calorífica através de processos de condução e convecção.
O espectro da frequência da radiação emitida vai corresponder ao espectro de Planck para a temperatura Tc do coletor (se o coletor estiver em um estado que permita a definição de uma temperatura termodinâmica).
Equipamento responsável pela absorção e transferência da radiação solar para o fluido de trabalho (água) sob a forma de energia térmica;
Coletores solares planos:
1) Fechados;
2) Abertos;
2.2.1 Coletores fechados
Utilizados para promover o aquecimento de água até temperaturas da ordem de 60°C, constituído por:
Caixa externa: fabricada em perfil de alumínio, chapa dobrada ou material plástico;
Isolamento térmico: materiais isolantes mais utilizados na indústria nacional são lã de vidro ou de rocha e espuma de poliuretano colocados na base e laterais do coletor. Função: minimizar perdas de calor para o meio.
2.2.2 Coletores Abertos 
Recomendados para o aquecimento de piscinas;
Operam à baixa temperatura (entre 28-30°C);
Não possuem cobertura transparente, isolamento térmico, corpo externo;
Feitos de materiais termoplásticos, polipropileno, EPDM, borrachas especiais.
2.2.3 Orientação e inclinação de coletores
Devem estar localizados de modo que o equipamento solar aproveite dia a dia a radiação incidente o máximo possível. 
Preferentemente → orientados ao Sul geográfico (não Sul magnético - bússola). Para localizá-lo será observada, por exemplo, a direção da sombra projetada por uma haste vertical às doze horas ou meio dia solar.
Ângulo de inclinação → formado pelos coletores com o plano horizontal. Os coletores deveriam inclinar-se, na medida do possível, de modo que os raios de Sol incidam perpendicularmente em sua superfície ao meio dia solar. O ângulo de inclinação exato dos coletores dependerá do uso do equipamento solar, mas sempre é próximo (10º) à latitude geográfica. Em uma cobertura inclinada costuma ser preferível utilizar a inclinação própria da cobertura, ainda que esta não seja a ideal. A consequência direta será a necessidade de uma maior superfície de captação - maior número de coletores.
2.3 Aquecimento solar ativo E Aquecimento solar passivo
Na América Latina o setor industrial possui o consumo energético mais importante - cerca de 34% do total.
 As principais fontes de energia utilizadas na indústria foram biocombustíveis e resíduos (28% do total), gás e produtos petrolíferos (com 22% do total cada um), eletricidade (com 21%) e carvão e turba, com 6%.
Dados: Agência Internacional da Energia sobre dados de 2009
Vários projetos financiados pela Comissão Europeia (projetos POSHIP, PROCESOL I e II) verificaram o enorme potencial de aplicação da energia solar térmica na indústria, bem como a viabilidade técnica e econômica de tais aplicações a curto, médio, e longo prazo.
Energia elétrica: para motores, compressores, máquinas de frio e outros;
Energia térmica: processos metalúrgicos, aquecimento de fluidos e produção de vapor, principalmente. (Tradicionalmente fornecida por caldeiras ou pela recuperação de calor residual de outras fases do mesmo processo industrial).
Os processos industriais podem ser classificados segundo o nível de temperatura requerido de forma que este nível de temperatura determina o sistema solar térmico apropriado.
Abaixo de 250ºC: são, atualmente, economicamente rentáveis.
Setores industriais adequados: 
Alimentação, bebidas e tabaco: produtos laticínios, conservas vegetais e frutais, preparados da carne, produtos de padarias, secagem de produtos, destilarias, etc. 
Têxtil e couro: tingimentos, curtido, lavanderias, etc. 
Indústria química: cosméticos, detergentes, fármacos, etc. 
Borracha e matérias plásticas
Alta temperatura (acima de 400ºC): ainda que sua viabilidade técnica e econômica se encontre em fase de pesquisa, foram desenvolvidos com sucesso numerosos projetos a escala pré-industrial (dezenas ou centenas de kW).
Setores industriais adequados:
Indústria metalúrgica 
Indústria química. 
Indústria de cerâmica. 
Produção de cimento, cal e gesso 
Fabricação de vidro. 
Tratamento de resíduos a alta temperatura
É uma alternativa lógica dada a simultaneidade do recurso.
 
Tecnologias que permitem o aproveitamento da energia gerada em um sistema solar térmico:
Sistemas térmicos de refrigeração - ciclos fechados: resfriam a água de um circuito fechado.
Sistemas refrigeradores por evaporação dessecante - ciclos abertos: refrigeram e desumidificam diretamente o ar a condicionar.
2.3.1 Gurgaon, Haryana, Índia
O sistema vai climatizar 13 salas usando um campo de coletores solares de 288 m2. 
Capacidade do ar condicionado: 100 kW (equivalente à potência frigorífica de 20 aparelhos convencionais de 18 mil BTUs cada).
Tecnologia de resfriamento: de “absorção de triplo efeito” (baseada na interação de um fluido refrigerante com uma solução salina).
Tecnologia solar: de coletores parabólicos (há a concentração dos raios solares no foco de uma parábola, permitindo obter temperaturas mais altas).
Um estudo na Suíça demonstrou a viabilidade técnica do processo de produção de cal de elevada pureza em um forno solar de alto fluxo (10kW). As estimações econômicas de uma planta de calcinação de maior tamanho (25MWth), usando um sistema solar com receptor central, indicam que o custo da cal solar produzida oscilaria entre 128 e 157$/t, [Meier, 2005], aproximadamente duas vezes o atual valor da cal convencional produzida com petróleo como fonte de energia.
2.3.2 Indústria de mineração no Chile 
 
Operativa desde novembro de 2012, a planta de propriedade da Mineração El Tesoro (do grupo Antofagasta Minerals) foi a primeira usina térmica de concentração solar a entrar em funcionamento de toda América do Sul. Trata-se de uma planta com 1280 coletores cilíndrico parabólicos PT1 da Abengoa Solar, capazes de produzir 14MWth utilizados, principalmente, para o aquecimento das soluções na planta de eletrodeposição. A planta incorpora armazenamento de energia térmica, o que permite fornecer energia térmica durante os períodos nublados e após o pôr do sol. Esta planta solar permite substituir 55% do diesel utilizado tradicionalmente.
2.4 Máquinas térmicas solares e geração de eletricidade 
No armazenamento de energia na forma de calor podemos considerar dois tipos de armazenamento: térmico e termoquímico.
A quantidade de calor armazenado depende do calor específico do meio, da temperatura e da quantidade de material de armazenamento. 
Os sistemas de armazenamento de calor latente são baseados no calor absorvido ou libertado quando um material de armazenamento sofre mudança de fase sólido-líquido ou líquido-gasoso.
Os sistemas de armazenamento termoquímico baseiam-se na energia absorvida e libertada na quebra e formação de ligações moleculares numa reação química reversível. 
Os sistemas de energia solar térmica para aquecimento de água ou de ambiente incluem uma unidade de armazenamento de energia que possibilita o armazenamento do dia para a noite ou equivalente a alguns dias de carga térmica. Para se conseguir sistemas solarestérmicos com uma fração solar elevada, utilizando materiais de armazenamento de calor sensível (Ex: água), são necessários volumes de armazenamento muito grandes implicando depósitos de grandes dimensões e consequentemente grandes espaços.
Os materiais de mudança de fase (“Phase Change Materials”, PCMs) são materiais de armazenamento de calor latente que possuem densidades de armazenamento de energia térmica consideravelmente elevadas quando comparados com materiais de armazenamento de calor sensível (ex. água), sendo capazes de absorver ou libertar energia a uma temperatura constante, à qual ocorre mudança de fase.
Os materiais de mudança de fase orgânicos mais estudados até agora são parafinas. Na maioria dos casos estas são misturas de alcanos de cadeia linear CH3-(CH2)n-CH3, verificando-se um aumento no ponto de fusão e do calor latente de fusão com o aumento do comprimento da cadeia de carbonos.
2.4.1 Sistemas solares térmicos para água quente sanitaria
Diretos: ou de circuito aberto → em que a água de consumo é aquecida diretamente nos coletores solares. 
Sistemas com esquemas simples → campo de coletores diretamente conectado a um tanque (armazenamento), existe uma bomba de circulação, um sistema auxiliar alternativo e o correspondente sistema de controle → consome a água quente (parte alta do tanque) a água fresca entra no tanque por sua parte baixa e se dirige ao campo de coletores. 
Limitações: determinada pela climatologia do local e o risco associado de congelamento da água.
Indiretos: ou de circuito fechado → permutador de calor (dispositivo para transferência de calor) entre o fluído que circula pelo campo de coletores e o ACS assegura uma eficaz proteção anti-congelamento (mais usada). 
Para o bom funcionamento de um sistema indireto → desenho do permutador de calor adequado: quando o tamanho do permutador é subestimado, os coletores solares trabalham a temperaturas acimas das normais (rendimentos baixos); quando se superestima o tamanho do permutador, tem-se um sobre custo associado que não compensa a melhora no rendimento dos coletores.
Termossifão ou circulação natural: não requerem o uso de bombas e sistemas de controle para o circuito de coletores solares. O movimento do fluído de transferência de calor dentro do circuito de coletores deve-se a menor densidade do fluído quente com relação ao frio. Neste caso o tanque deve ser colocado em uma altura acima dos coletores para permitir a convecção por diferença de densidades. A força motriz será maior quanto maior seja a diferença de densidades, isso é, a diferença de temperaturas.
Máquinas térmicas solares e geração de eletricidade: todas as máquinas térmicas operam segundo um ciclo termodinâmico. Em alguns casos, o fluido de trabalho sofre uma série de processos, mas retorna ao estado inicial. Este é o caso das centrais a vapor e diz que operam em ciclo fechado.
Em outros casos, o fluído de trabalho não passa por um ciclo termodinâmico, apesar de passar por um ciclo mecânico.
Isto significa que o fluído de trabalho no final do processo apresenta uma combinação química diferente ou está em um estado termodinâmico diferente do original.
Este é o caso dos motores de combustão interna e das turbinas a gás e diz que funcionam em ciclo aberto.
As máquinas térmicas também podem ser classificadas em: combustão interna e combustão externa.
Na máquina de combustão externa o fluído de trabalho é completamente separado do ar e do combustível.
O calor da combustão é transferido para o fluído de trabalho através de trocadores de calor.
O exemplo da máquina de combustão externa é a caldeira a vapor. O fluído de trabalho é a água e ele não entra em contato com os gases da combustão. 
Na máquina de combustão interna o fluído de trabalho é a mistura de gases formados pela combustão. As principais máquinas de combustão interna são os motores de combustão interna e as turbinas a gás. A grande vantagem das máquinas de combustão interna é a ausência de trocadores de calor no fluído de trabalho. Isto simplifica o projeto e reduz as perdas inerentes aos processos de transferência de calor.
Do ponto de vista de geração de energia elétrica as seguintes máquinas térmicas são importantes:
Turbinas a Vapor;
Turbinas a Gás;
Motores de Combustão Interna;
Máquinas auxiliares;
Chiller de Absorção;
Caldeiras;
Trocadores de Calor.
As turbinas a vapor podem ser utilizadas em qualquer usina termelétrica, mas são largamente empregadas em termelétricas que utilizam combustíveis sólidos; carvão, urânio e biomassa.
As turbinas a gás podem ser utilizadas em usinas termelétricas que utilizam combustível gasoso ou combustível líquido leve.
Finalmente, os motores de combustão interna podem ser utilizados em termelétricas movidas a combustível líquido e gasoso.
A escolha da máquina térmica a ser utilizada é função dos aspectos econômicos e do combustível utilizado.
Conforme visto anteriormente, a geração térmica é responsável por cerca 80% da energia elétrica gerada no mundo, sendo 67% a partir de combustíveis fósseis e 13% a partir de usinas nucleares.
Portanto, é de fundamental importância o estudo da geração térmica porque, apesar dela representar menos de 20% da geração de energia elétrica atualmente no Brasil, sua participação deverá dobrar nos próximos cinco anos conforme diversos estudos de planejamento do ONS e do MME.
A geração térmica converte energia química ou nuclear dos combustíveis em energia elétrica. Isto ocorre em três fases distintas:
A energia química do combustível é transformada em calor através da queima do combustível ou a energia atômica do combustível é transformada em calor através da fissão nuclear; O calor produzido é transformado em trabalho mecânico por uma máquina térmica; O trabalho mecânico, produzido pela máquina térmica, é transformado em energia elétrica pelo gerador elétrico. Em função disso, é importante conhece detalhadamente as três fases. A usina térmica é um sistema complexo, conforme mostra a Figura, que pode ser subdividido nos seguintes subsistemas:
Combustível;
Lubrificante;
Controle;
Conversão de Energia;
Ar;
Conexão com a Rede;
Resfriamento;
Exaustão de gases;
Água e Esgoto
A principal característica das usinas térmicas é o rendimento.
A Figura abaixo mostra as principais perdas na geração térmica.
 
Figura 5 - Geração de Perda de uma máquina térmica
 
O rendimento da usina é definido como:
							(3)
Onde:
η é o rendimento da usina;
Es é a energia na entrada;
Ee é a energia na saída.
As perdas de combustível ocorrem no processo de armazenagem e tratamento na usina. As perdas térmicas são inerentes são inerentes ao processo de conversão de energia. As perdas elétricas no gerador e na subestação são inerentes às máquinas elétricas. O consumo próprio é a parcela da energia elétrica utilizada para o funcionamento da própria usina. Esta parcela varia com o tipo de combustível utilizado e com o tipo de máquina utilizada e pode variar entre 3% e 20% da potência da usina.
Finalmente, as perdas na transmissão ocorrem na linha de transmissão que liga a usina ao sistema elétrico e, no caso de usinas conectadas ao SIN, incluem as perdas de todo o sistema de transmissão da rede básica rateadas de acordo com os procedimentos do ONS e da CEEE.
 A aplicação do vapor como força motriz só se tornou realidade a partir dos trabalhos de Thomas Savery em 1698. Estes trabalhos resultaram no motor alternativo a vapor que originou a revolução industrial.
O desenvolvimento da turbina a vapor demorou, mas, uma vez iniciado, foi rápido. Entre o final do século XVIII e o século XIX, diversos pesquisadores trabalharam em paralelo e mais de 100 patentes foram registradas entre 1880 e 1883.
As primeiras turbinas a vapor foram construídas por Carl Gustav de Laval, do tipo impulso, e Charles Parsons, do tipo reação.
Atualmente, a geração de energia elétrica a partir do vapor baseia-se, conforme mostra a abaixo, nos seguintes equipamentos:
Queimador;
Caldeira;
Turbina;
GeradorCondensador;
Trocador de Calor
Bomba.
 
Figura 6 - Geração de energia elétrica a partir do vapor
O coração deste sistema, extremamente complexo, é o ciclo formado pela água e vapor. Este ciclo é estudo pela termodinâmica a partir do ciclo teórico - Ciclo Rankine. É o ciclo termodinâmico que mais representa o processo de geração de energia a partir do vapor d´agua.
Contudo, outros fluidos também podem ser utilizados em aplicações especiais, como na geração geotérmica. Ele se baseia em quatro processos termodinâmicos:
Bombeamento adiabático na bomba - 1 a 2;
Transformação da água em vapor a pressão constante na caldeira - 2 a 3;
Expansão adiabática na turbina - 3 a 4;
Condensação do vapor a pressão constante no condensador -  4 a 1.
Figura 7 - Geração Geotérmica
É importante observar que os pontos 1 e 2 são idênticos no diagrama T x S porque o bombeamento adiabático não produz variação de temperatura nem variação de entropia.
Durante a transferência de calor para a água na caldeira, a temperatura se eleva até o ponto 2, onde o processo de evaporação se inicia.
A partir deste ponto, a temperatura da mistura água/vapor permanece constante até que todo o líquido tenha se transformado em vapor.
O rendimento térmico do ciclo Rankine é dado por:
(4)
Onde:
wliq é o trabalho líquido executado;
qH é o calor fornecido ao sistema;
qL é o calor retirado do sistema;
wt é o trabalho realizado pela turbina;
wb é o trabalho realizado pela bomba.
Considerando que:
(5)
Onde:
hi é a entalpia no estado i.
O rendimento térmico do ciclo Rankine será dado por:
(6)
 No ciclo Rankine ideal, a temperatura média de rejeição de calor é constante e igual à temperatura de condensação.
No entanto, a temperatura média de fornecimento de calor é inferior à temperatura de vaporização por causa da variação de temperatura entre os pontos 1 e 2.
Isto significa que o rendimento do ciclo Rankine ideal é inferior ao rendimento térmico do ciclo de Carnot operando com temperatura máxima igual a temperatura de vaporização e mínima igual à temperatura de condensação.
A grande questão é:
O que fazer para aumentar a eficiência do ciclo Rankine?
Basicamente, existem três possibilidades para aumentar o rendimento do ciclo Rankine:
Redução da pressão na saída da turbina;
Aumento da pressão na caldeira;
Superaquecer o vapor.
Estas três opções possuem limitações fundamentais.
Primeiramente, a redução da pressão do vapor na saída da turbina provoca condensação do vapor. Esta água condensada forma gotículas que destroem as palhetas da turbina.
Por isso, o título do vapor na saída da turbina não deve ser inferior a 0,85.
Por outro lado, o aumento da pressão na caldeira também aumenta a temperatura e, consequentemente, os esforços termomecânicos no equipamento aumentam. Portanto, esta solução está limitada à tecnologia dos materiais existentes.
Finalmente, existe a solução de superaquecer o vapor. Mais uma vez, esta solução está limitada pela tecnologia de materiais disponível no mercado.
Na prática, utilizam-se dois sistemas básicos:
Reaquecimento;
Regeneração.
Caldeiras
As caldeiras permitem queimar praticamente qualquer tipo de combustível sólido, líquido ou gasoso. A caldeira pode ser vista como um sistema, conforme mostra a figura abaixo:
Figura 8 - Caldeiras
As grandezas de entrada deste sistema são:
a água;
o ar;
e o combustível.
Por sua vez, as grandezas de saída são:
o vapor;
os gases resultantes da combustão.
Regenerador;
Resfriador Intermediário;
2.5 Custos e impactos ambientais 
A maioria das vantagens da energia solar está relacionada com os seus benefícios ambientais. Dentre os principais pontos, podemos destacar:
a) É renovável: a energia advinda do sol pode ser considerada inesgotável. As tecnologias atuais, inclusive, permitem o armazenamento de calor durante certo tempo, de forma que, quando não há sol, a produção de eletricidade não é prejudicada.
b) É gratuita. A energia advinda do sol não possui custos, haja vista que é um recurso oferecido pela natureza. A correta localização das usinas solares permite o máximo aproveitamento.
c) Ocupa pouco espaço. Ao contrário, por exemplo, das hidrelétricas, a produção de energia solar não demanda a ocupação de grandes áreas, com processos de desocupação de regiões naturais.
d) Não emite poluentes. Ao contrário de outras fontes produtoras de energia, como as termoelétricas, as usinas solares não emitem poluentes na atmosfera.
e) Baixa necessidade de manutenção. Apesar de ser uma tecnologia cara, os painéis ou placas utilizadas na produção de energia são resistentes e praticamente não oferecem custos de manutenção.
f) Acessível em lugares remotos. Por não demandar grandes investimentos em linhas de transmissão, as usinas solares ou placas fotovoltaicas conseguem beneficiar aquelas comunidades mais afastadas dos grandes centros urbanos.
Todo sistema de produção de energia possui o seu lado B, isto é, os seus efeitos colaterais. Com a energia solar não é diferente. Dentre as suas desvantagens, podemos citar:
a) Custo elevado. Atualmente, a tecnologia de produção de energia solar é muito cara. As placas residenciais, por exemplo, são exclusividades da população economicamente mais rica, exceto nos casos em que o governo custeia ou financia o equipamento para lares mais humildes. No entanto, a tendência é que esse equipamento fique mais barato nos próximos tempos.
b) Dependência climática. As variações climáticas interferem rapidamente sobre a produção de eletricidade. Nas usinas solares, por exemplo, a produção interrompe-se quando o sol fica encoberto por mais de 23 horas seguidas, que é o tempo máximo de armazenamento de energia nessas unidades.
c) Baixa capacidade de armazenamento. Apesar de a energia produzida ter o seu armazenamento viável e possível, ele não acontece em grandes quantidades em comparação a outras fontes de energia.
d) Baixo rendimento. Os painéis e usinas solares de tecnologia fotoelétrica ou fotovoltaica possuem uma capacidade de rendimento muito baixa. Já nas usinas solares térmicas, esse problema é um pouco menor, a exemplo da Ivanpah Solar Electrict Generating System, a maior usina solar do mundo, localizada nos Estados Unidos.
Figura 9 - Vista aérea da Usina de Ivanpah, nos Estados Unidos, a maior do mundo!
e) Prejuízos ambientais. As usinas solares não são tão ambientalmente corretas quanto se imagina. Apesar de não emitirem poluentes, elas são responsáveis por uma grande mortalidade de pássaros, que literalmente queimam em função do calor gerado no local de produção. Os espelhos das placas das usinas atraem-nos, fazendo com que morram.
Limitado às áreas ensolaradas do mundo (muita demanda quando está pouco disponível, por exemplo no aquecimento solar). Requer materiais especiais para espelhos/painéis que pode afetar o meio ambiente.
Requer quantidades grandes de terra para quantidades pequenas de geração da energia.
3. Energia solar fotovoltaica 
Fotovoltaico significa a transformação direta da luz em energia eléctrica, recorrendo-se a células solares. Neste processo, são utilizados materiais semicondutores como o silício, o arenito de gálio, telurismo de cádmio ou disselenieto de cobre e índio. 
A célula de silício cristalina é a mais comum. Atualmente, cerca de 95 % de todas as células solares do mundo são de silício. Numa posição próxima do oxigénio, é o segundo elemento químico mais frequentemente utilizado na Terra. 
O silício apresenta uma disponibilidade quase ilimitada. O silício não existe como um elemento químico. Existe apenas associado à areia de sílica. O material utilizado nas células solares deve ser da maior pureza possível. Isto pode ser conseguido através de sucessivas etapas na produção química. Até aos dias de hoje, os fabricantes de células solares têm obtido, na sua maior parte, o material purificado do desperdício da indústria electrónica de semicondutores.
3.1 Princípios básicos das células fotovoltaicas. 
Os átomos desilício formam um retículo cristalino estável. Cada átomo de silício detém quatro elétrons de coesão (elétrons de valência) na sua camada periférica. Para atingir uma configuração estável de elétrons, dois elétrons de átomos vizinhos formam um par de ligações de elétrons. Através do estabelecimento desta ligação com quatro átomos de silício vizinhos, obtém-se a configuração do gás inerte estável de seis elétrons. Com a influência da luz ou do calor, a coesão dos elétrons pode ser quebrada. Os elétrons podes então mover-se livremente, deixando uma lacuna atrás de si, no retículo cristalino. Este processo é designado por auto condução.
A auto condução não pode ser utilizada para gerar energia. Para que o material de silício funcione como um gerador de energia, o retículo cristalino é propositadamente contaminado com os chamados átomos impuros. 
Estes átomos possuem um elétron a mais (fósforo), ou um elétron a menos (boro), do que o silício na camada externa de valência. Por este motivo, os átomos impuros causam defeitos no interior do retículo cristalino. Se ao retículo for adicionado fósforo (impureza n), fica um elétron supérfluo por cada átomo de fósforo introduzido. Este elétron pode mover-se livremente dentro do cristal e por isso transportar carga eléctrica. 
Com o boro (impureza p), fica disponível uma lacuna (elétrons de coesão perdido) por cada átomo de boro introduzido. Os elétrons dos átomos vizinhos de silício podem preencher este orifício, resultando na produção de uma nova lacuna noutro lugar. O mecanismo condutor que resulta da presença dos átomos impuros, é chamado de condução extrínseca. Contudo, se virmos individualmente o material de impureza p ou n, as cargas livres não têm uma direção definida durante o seu movimento.
Se juntarmos as camadas dos semicondutores n e p impuros, produziremos uma região de transição pn. Isto leva à difusão dos elétrons supérfluos do semicondutor n para o semicondutor p na junção. Cria-se assim uma nova área com poucos portadores de carga (ver figura 2.41), designada por barreira de potencial. Na área n da região de transição, os átomos dopantes positivos são remetidos para trás, acontecendo de modo semelhante com os negativos na área p. É criado um campo eléctrico que se mantém contrário ao movimento dos portadores de carga. Por esta razão a difusão não se mantém infinitamente.
Se um semicondutor pn (célula solar) é exposto à luz, os fotões são absorvidos pelos elétrons. As ligações entre elétrons são quebradas por este fornecimento de energia. Os elétrons libertados são conduzidos através do campo eléctrico para a área n. As lacunas assim criadas seguem na direção contrária para a área p. Todo este processo é denominado por efeito fotovoltaico. A difusão dos portadores de carga até aos contatos eléctricos, produz tensão na fronteira da célula solar. Se não estiver ligada a nenhuma carga, é obtida a tensão de circuito aberto na célula solar. Se o circuito eléctrico estiver fechado, a eletricidade pode fluir. Contudo, alguns elétrons que não alcançam os contatos são recombinados. A recombinação consiste no processo de unir um elétron livre a um átomo destituído de um elétron de valência (lacuna).
Neste contexto, chamamos de longitude da difusão, à distância média que um elétron cobre durante o seu ciclo de vida no retículo cristalino, até que encontre um átomo com um elétron de valência com o qual estará pouco depois ligado. Durante este processo são perdidos os portadores de carga livre, e não podem contribuir para a geração posterior de eletricidade. A longitude da difusão depende da quantidade de defeitos no interior do cristal, devendo ser suficientemente grande, para permitir que uma quantidade suficiente de portadores de carga atinja os contatos. A difusão de material depende do material usado. Para uma razão de um átomo impuro (dopante) por cada dez biliões de átomos de silício, esta distância está estimada em 0,5 mm. 
Isto corresponde, aproximadamente, a duas vezes o valor de espessura do diâmetro de uma célula. Na região da barreira de potencial, a probabilidade de uma separação (elétron, lacunas) bem-sucedida é elevada, sem que haja lugar à recombinação. Fora desta região, a probabilidade de recombinação aumenta conforme a distância à mesma.
3.2 Características elétricas das células fotovoltaicas. 
A célula solar clássica de silício cristalino, é composta por duas camadas de silício contaminadas com diferentes impurezas. A camada orientada para o Sol está contaminada negativamente com fósforo, e a camada inferior está contaminada positivamente com boro. É produzido um campo eléctrico na junção das duas camadas, que conduz à separação das cargas (elétrons e lacunas) libertadas pela luz solar. No intuito de gerar eletricidade a partir da célula solar, são impressos contatos metálicos nas suas partes frontal e posterior. Em geral, e neste contexto, é utilizada a impressão em tela. É possível conseguir uma camada de contato em toda a extensão da célula, com a aplicação de uma folha de alumínio ou de prata na parte posterior. No entanto, a parte frontal deverá ser tão translúcida quanto possível. Aqui os contatos são essencialmente aplicados na forma de uma grelha fina ou numa estrutura em árvore. A reflexão da luz pode ser reduzida, com o depósito por vapor de uma camada mais fina (camada antirreflexo) na parte frontal da célula solar, feita de nitrito de silício ou de dióxido de titânio.
Figura 10 - Estrutura e função de uma célula cristalina solar
A radiação provoca a separação dos portadores de carga, como é acima descrito, e o surgimento de uma corrente caso exista um aparelho de consumo ligado (a imagem mostra uma lâmpada). As perdas ocasionadas pela recombinação, pela reflexão e pelo sombreamento entre os contatos frontais, ocorrem na célula solar. 
Para além disso, uma grande proporção da energia de radiações de onda longa e curta não pode ser aproveitada. Como exemplo, as perdas de transmissão estão ilustradas na figura. Uma outra parte da energia não aproveitada é absorvida e transformada em calor. As perdas individuais de uma célula solar de silício cristalino, são dadas no seguinte balanço energético: 100% energia solar irradiada - 3,0% reflexão e sombreamento dos contatos frontais - 23,0% insuficiente energia do fotão na radiação de onda longa - 32,0% excedente de energia do fotão na radiação de onda curta - 8,5% recombinação - 20,0% gradiente eléctrico numa célula, especialmente na região da barreira de potencial - 0,5% resistência em série (perdas térmicas da condução eléctrica) = 13,0% energia eléctrica utilizável
3.3 Aplicações dos sistemas fotovoltaicos. 
Num sistema fotovoltaico, os custos de investimento inicial determinam os custos de produção da energia eléctrica gerada (capítulo 5), uma vez que não existem custos adicionais com combustíveis. No que respeita aos custos correntes - seguros, manutenção, etc., são de reduzido significado. 
Considerando os custos de produção de energia, os sistemas fotovoltaicos podem ser comparados com outros sistemas de produção de energia, podendo assim ser calculados os níveis de compensação de cobertura de custos, para os diferentes sistemas de produção e fornecimento de energia eléctrica à rede pública de distribuição. O desejado retorno do capital investido inicialmente, tem uma influência decisiva no cálculo dos custos de produção de energia. 
Os cálculos económicos que excluem os juros e a valorização do capital investido, apresentam-se com extrema simplicidade. Neste caso, são considerados os custos de investimento inicial Cinv e determinados os custos gerais nos quais se incorrerá durante o tempo de vida útil do sistema, custos de operação Cop, nomeadamente os custos operacionais, de manutenção, prémios de seguros, entre outros eventuais custos que, como já referido, assumem uma reduzida expressão com o presente tipo de sistemas. Se as instalações fotovoltaicas são integradas no edifício durante a sua construção, tendo sido considerada a sua localizaçãodesde o início do projeto de construção do edifício, os sistemas fotovoltaicos integrados nos telhados ou nas fachadas podem ter como resultado poupanças consideráveis nos materiais de construção (custos evitados Cev). Para uma vida útil do sistema (n) – geralmente é assumida uma vida útil de 20 a 30 anos, os custos de produção (Cprod), considerando a energia que será produzida anualmente pelo sistema fotovoltaico (Ea), são calculados da forma que se segue:
(7)
3.4 Custos e impactos ambientais.
Atualmente, os sistemas fotovoltaicos podem ser competitivos do ponto de vista económico. Neste contexto destacam-se as aplicações em locais afastados da rede principal. Desde que o Programa E4 (Eficiência Energética e Energias Renováveis) entrou em vigor (em 2001), do que resultou uma importante alteração no que se refere ao pagamento da energia eléctrica de origem solar (particularmente nos pequenos sistemas fotovoltaicos, até 5 kWp), os sistemas de ligação à rede em Portugal passaram a merecer um crescente interesse por parte dos investidores, como consequência direta do contexto do novo ponto de vista económico destes sistemas. 
A mesma alteração de comportamento se observou em países industrializados como a Espanha, a Itália, o Japão e certos Estados dos Estados Unidos da América, também como resultado de se garantir um pagamento adicional pelo fornecimento energético de origem solar e/ou de se atribuir subsídios para os sistemas de ligação à rede. Neste contexto é de realçar o interessante exemplo do caso da Alemanha, com os sucessivos programas de incentivo na área da energia fotovoltaica. 
A proporção, mais ou menos significativa, do fornecimento energético a partir dos sistemas solares ligados à rede, quer no que se refere aos pequenos sistemas domésticos (até 5 kWp) quer nas restantes áreas de aplicação dos sistemas com ligação à rede, dependerá, acima de tudo, da evolução no futuro dos custos destes sistemas. 
Paralelamente, sem dúvida de que as políticas de incentivo desempenharão também um papel decisivo, com principal destaque para as estratégias que visem a remuneração do kWh produzido. Na figura 10.3 poderá verificar-se que o volume de produção do equipamento tem uma forte influência sobre o seu preço final. Este fator teve uma forte influência nos preços praticados no mercado Alemão, onde, desde o início dos anos 80, os preços desceram em mais de 60 %. 
Como resultado do lançamento do mercado de diferentes programas de incentivo, como seja o programa dos “70.000 telhados” no Japão, o programa dos “100.000 telhados” na Alemanha e da “Lei de Alimentação da Energia Solar” em Espanha, os volumes de produção terão um aumento acentuado nos próximos anos, sendo desta forma de prever uma maior redução nos custos do equipamento. 
Num estudo sobre o fotovoltaico realizado em 2001 (Pesquisa Sarasin, Outubro 2001), o crescimento médio anual no mercado global fotovoltaico até ao ano de 2010, foi calculado em 17,5 % [But01]. A Bundesverband Solarenergie (Associação Federal Alemã da Energia Solar), assume um aumento anual médio de 20 % até ao ano de 2010 (dados de outubro 2001). Com estes valores, e considerando uma curva de aprendizagem de preços com um fator de 18 %, teremos como resultado em 2010 uma redução possível de 70 % no custo dos módulos, comparativamente aos custos dos módulos do ano de 2000. Depois deste período, o custo do sistema deverá descer com índices percentuais de algum modo menores, uma vez que o planeamento, a calagem, os inversores, entre outros materiais e equipamentos que devem ser considerados num sistema fotovoltaico, têm de ser tidos em conta.
4. Energia eólica 
A força dos ventos é uma fonte de energia já conhecida e utilizada há milhares de anos para girar as pás de moinhos e, assim, obter energia eólica. Agora, esse tipo de energia é pesquisado para gerar eletricidade. Atualmente, já existem no mundo cerca de 20 mil geradores que produzem eletricidade a partir da força do vento.
Para que possamos estudar a energia eólica é importante antes conhecermos a origem, a velocidade e a potência proporcionada pelo elemento gerador desse tipo de energia: o vento.
4.1 Características físicas do vento. 
A energia eólica provém de a radiação solar uma vez que os ventos são gerados pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Uma estimativa da energia total dos ventos disponíveis ao redor do planeta pode ser feita a partir da hipótese de que aproximadamente 2% da energia solar absorvida pela Terra são convertidas em energia cinética dos ventos. Esse percentual, embora pareça pequeno, representa centena de vezes a potência anual instalada nas centrais elétricas do mundo.
Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se manifestam em pequena escala são enunciados por diferentes aspectos entre os quais se destacam a altura, a rugosidade, os obstáculos e o relevo.
A radiação solar também induz a formação dos ventos, o que permite a circulação atmosférica em larga escala por todo o planeta. Os ventos acontecem devido ao aquecimento diferenciado da atmosfera. A não uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada, entre outros fatores, à orientação dos raios solares e aos movimentos da Terra.
As regiões tropicais, que recebem os raios solares quase que perpendicularmente, são mais aquecidas do que as regiões polares. Consequentemente, o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das regiões tropicais tende a subir, sendo substituído por uma massa de ar mais frio que se desloca das regiões polares. O deslocamento de massas de ar determina a formação dos ventos. 
Figura 11 - Características físicas do vento
A diferença de temperatura entre a camada próxima da superfície da terra aquecida pelos raios solares e as camadas superiores da nossa atmosfera gera correntes convectivas. A energia da radiação solar, sendo responsável pelo movimento convectivo do ar, direciona as correntes da nossa atmosfera, que sobem no equador e descem nos polos, condensando vapores, precipitando energia sob a forma de chuva. As correntes ascendentes do equador são mais intensas do que as das outras zonas da terra, por isso produzem ventos de 30 a 50 km horários, e a rotação da terra interfere na direção dos ventos, entre os polos e o equador, provocando uma resultante inclinada em relação à perpendicular pelo equador.
Perturbações magnéticas solares produzem os ventos de grandes altitudes, conhecidos pelos aeronautas como tempestades de céu claro. Estudos mais acurados comprovaram existirem as correntes de grandes altitudes, utilizadas para economizar combustível nos voos intercontinentais.
Os centros de baixa pressão que ocorrem na superfície da terra produzem correntes ascendentes de 100 milhas por hora e ventos de superfície de igual intensidade, convergentes para o centro de baixa pressão, que, influenciados pelos desvios da rotação da terra, geram movimentos rotacionais, conhecidos como furacões, tão comuns na região do equador.
Por ser um fenômeno natural, o vento pode variar dependendo do dia e da estação do ano. Para um bom aproveitamento do vento não se deve ter nenhum obstáculo como morros, mata fechada, prédios etc. Observando a Tabela, você poderá ter uma ideia de como é o vento na sua região.
Figura 12 - Velocidade do vento e sua caracterização
4.2 Turbinas eólicas. 
Um sistema eólico é constituído por vários componentes que devem trabalhar em harmonia, de forma a propiciar um maior rendimento. Para efeito de estudo global da conversão eólica devem ser considerados os seguintes componentes: 
Vento: disponibilidade energética do local destinado à instalação do sistema eólico.
Rotor: responsável por transformar a energia cinética do vento em energia mecânica de rotação. 
Transmissão e Caixa Multiplicadora: responsável por transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até a carga. Alguns geradores não utilizam este componente; nesse caso, o eixo do rotor é acoplado diretamente à carga. 
Gerador Elétrico:responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica. 
Mecanismo de Controle: responsável pela orientação do rotor, controle de velocidade, controle da carga etc. 
Torre: responsável por sustentar e posicionar o rotor na altura conveniente.
Transformador: responsável pelo acoplamento elétrico entre o aero gerador e a rede elétrica. 
Acessórios: são os componentes periféricos.
Figura 13 - Sistema Eólico
4.2.1 Tipos de Rotores
Os aero geradores costumam ser classificados pela posição do eixo do seu rotor, que pode ser vertical ou horizontal. A seguir, mencionaremos os principais modelos relativos aos tipos de classificação mencionados:
Eixo Horizontal: Esta disposição necessita de um mecanismo que permita o posicionamento do eixo do rotor em relação à direção do vento, para um melhor aproveitamento global, principalmente onde tem muita mudança na direção dos ventos. Os principais modelos diferem quanto às características que definem o uso mais indicado, sendo eles:
Rotor multipás - atualmente representa a maioria das instalações eólicas, tendo sua maior aplicação no bombeamento d´água. Suas características tornam seu uso mais próprio para aero motores, pois dispõe de uma boa relação torque de partida/área de varredura do rotor, mesmo para ventos fracos. Em contrapartida, seu melhor rendimento encontra-se nas baixas velocidades, limitando a potência máxima extraída por área do rotor, que não é das melhores, tornando esse tipo pouco indicado para geração de energia elétrica. Com o desenvolvimento da eletrônica, os sistemas atuais podem ser facilmente projetados para uma faixa de velocidade bastante ampla e com um rendimento bastante satisfatório, passando o fator determinante a ser a potência obtida pelo rotor em relação à área de varredura, em que os modelos de duas e três pás se destacam com um rendimento muito superior.
Rotor de três ou duas pás - é praticamente o padrão de rotores utilizados nos aero geradores modernos, isso se deve a grande relação de potência extraída por área de varredura do rotor, muito superior ao rotor multipás (embora isso só ocorra em velocidades de vento superiores), pois além do seu rendimento máximo ser o melhor entre todos os tipos, situa-se em velocidades mais altas. 
Rotor de uma pá – a razão para o desenvolvimento de aero geradores com uma pá é diminuir com uma alta velocidade rotacional o número de pás do rotor e, com isso, diminuir o custo dos aero geradores. Mas devido ao fato de esse tipo de rotor possuir um desbalanceamento aerodinâmico que introduz movimentos adicionais, ele provoca cargas extras e necessita de construções de eixos complicados (juntas, amortecedores etc) para manter os movimentos sob controle. A principal desvantagem para a sua aplicação comercial é o alto nível de ruído aerodinâmico do rotor, causado por uma velocidade de ponte de pá de cerca de 120m/s. Comparando com os rotores de três pás, essa velocidade de ponta é duas vezes mais elevada, o que significa que os aero geradores de uma pá são muitas vezes mais barulhentos do que os de três pás. Ao menos na Alemanha com sua alta densidade populacional, esses aero geradores barulhentos não têm chance no mercado. Muitas pessoas também reclamam que uma só pá girando proporciona um distúrbio visual na paisagem. Algumas comunidades na Alemanha, portanto, não permitem a montagem de rotores de uma pá.
Eixo Vertical: A principal vantagem das turbinas de eixo vertical é não necessitar de mecanismo de direcionamento, sendo evidenciada nos aero geradores por simplificar bastante os meios de transmissão de potência. Como desvantagens, apresentam o fato de suas pás, devido ao movimento de rotação, terem constantemente alterados os ângulos de ataque e de deslocamento em relação à direção dos ventos, gerando forças resultantes alternadas, o que além de limitar o seu rendimento, causa vibrações acentuadas em toda a sua estrutura.
Transmissão e Caixa Multiplicadora: A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador. É composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e acoplamentos. 
O projeto tradicional de uma turbina eólica consiste em colocar a caixa de transmissão mecânica entre o rotor e o gerador de forma a adaptar a baixa velocidade do rotor à velocidade de rotação mais elevada dos geradores convencionais. A velocidade angular dos rotores geralmente varia na faixa de 20 a 150 RPM, devido às restrições de velocidade na ponta da pá (tip speed). Entretanto, geradores (sobretudo geradores síncronos) trabalham a rotações muito mais elevadas (em geral, entre 1200 a 1800 RPM), tornando necessária a instalação de um sistema de multiplicação entre os eixos. 
Mais recentemente, alguns fabricantes desenvolveram com sucesso aero geradores sem a caixa multiplicadora e abandonaram a forma tradicional de construir turbinas eólicas. Assim, ao invés de utilizar a caixa de engrenagens com alta relação de transmissão, necessárias para alcançar a elevada rotação dos geradores, utilizam-se geradores múltiplos de baixa velocidade e grandes dimensões.
4.3 Potência e energia gerada nas turbinas eólicas. 
Existe uma regra que dá a potência gerada pelos cata-ventos e turbinas de vento. É importante ressaltar que esta regra é teórica e, na prática, não conseguimos converter toda essa potência (teórica) em potência útil. Em condições ideais o valor máximo teórico da energia contida no fluxo de ar que pode ser extraída por uma turbina eólica é de aproximadamente 59,3%; a esse percentual dá-se o nome de coeficiente de potência (Cp). Sob condições reais, o coeficiente de potência alcança não mais do que 50%, porque inclui todas as perdas aerodinâmicas do aero gerador. Um aero gerador onde a velocidade do vento passa de 10 km/h para 11 km/h (aumento de 10%), a potência se eleva em 33%, o que mostra como é importante a escolha de um lugar com ventos mais velozes para o melhor aproveitamento da energia eólica
4.4 Aplicações da energia eólica. 
Um sistema eólico pode ser utilizado em quatro aplicações distintas: sistemas isolados, sistemas híbridos, sistemas interligados à rede e sistemas Off-Shore. Os sistemas obedecem a uma configuração básica, necessitam de uma unidade de controle de potência e, em determinados casos, de uma unidade de armazenamento. 
Os sistemas isolados, em geral, utilizam alguma forma de armazenamento de energia, que pode ser feito por meio de baterias, com o objetivo de utilizar aparelhos elétricos, ou na forma de energia gravitacional, com a finalidade de armazenar a água bombeada em reservatórios para posterior utilização. Alguns sistemas isolados não necessitam de armazenamento, como no caso dos sistemas para irrigação em que toda a água bombeada é diretamente consumida.
Os sistemas que armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar a carga e a descarga da bateria. O controlador de carga tem como principal objetivo evitar danos à bateria por sobrecarga ou descarga profunda. Para alimentação de equipamentos que operam com corrente alternada (CA) é necessária a utilização de um inversor. Esse dispositivo geralmente incorpora um seguidor do ponto de máxima potência, necessário para otimização da potência produzida. Esse sistema é usado quando se deseja utilizar eletrodomésticos convencionais.
4.5 Custos e impactos ambientais. 
A produção anual de energia de um aero gerador é o fator econômico mais importante. Incertezas na determinação da velocidade de vento anual e da curva de potência contribuem para a incerteza total na predição da energia anual gerada e leva a um risco financeiro mais elevado. 
Enquanto a estimativa da produção de energia ainda é difícil de ser calculada devido à ausência de controle das variantes envolvidas, é possível mensurar outras propriedades da energia eólica. A seguir, é mostrado como calcular a produção anual de energia (PAE).
A produção anual de energia pode ser estimada pelo método do histograma