Aula 19 - Geração de energia Eolica e Solar

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FONTES RENOVÁVEIS
Aula 19 – GERAÇÃO EÓLICA e SOLAR
Aspectos Gerais
Situação Brasil e Mundo
Fundamentos do Processo de Geração
Aspectos Ambientais
Energia Eólica: Conceitos 
• A energia eólica é a energia obtida pelo movimento do ar (vento). É 
uma abundante fonte de energia, renovável, limpa e disponível em 
todos os lugares. 
• Os moinhos de vento foram inventados na Pérsia no séc. V. Eles foram 
usados para bombear água para irrigação. 
• A energia eólica é considerada a energia mais limpa do planeta, 
disponível em diversos lugares e em diferentes intensidades, uma boa 
alternativa às energias não-renováveis.
• Gerada por meio de aero geradores, nas quais a força do vento é 
captada por hélices ligadas a uma turbina que aciona um gerador 
elétrico. 
• A quantidade de energia transferida é função da densidade do ar, da 
área coberta pela rotação das pás (hélices) e da velocidade do vento.
• O grande impulso para a geração eólica foi a crise do petróleo iniciada 
em 1970.
Origem:
• O vento é gerado pelo maior aquecimento da superfície da
Terra perto do Equador do que perto dos polos. Isto faz com que
os ventos das superfícies frias circulem dos polos para o Equador
para substituir o ar quente que sobe nos trópicos e move-se pela
atmosfera até os polos, fechando o ciclo.
• Como o vento é influenciado pela rotação da terra,
provocando variações sazonais na sua intensidade e direção, e
pela topografia local.
• Para a avaliação do potencial eólico de uma região é uma
necessária a coleta de dados dos ventos com precisão e
qualidade, capaz de fornecer um mapeamento eólico da
região.
• Curva Wh/m2 → curva de potência bruta ou fluxo de
potencia eólica
• Velocidade de vento partida “cut-in”
• “cut-off”, velocidade ultrapassa o valor de segurança
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
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14.0
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Day
A
v
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ra
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 s
p
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e
d
 (
m
/s
)
hourly
daily
Análise dos Ventos
Medidas realizadas a 60 m de altura
Distribuição estatística dos Ventos
0.0%
5.0%
10.0%
15.0%
20.0%
0 5 10 15 20
Velocidade do Vento (m/s)
F
re
q
u
ê
n
c
ia
 (
%
)
Curva 1 (Brasil):
· Ventos com velocidade e direção 
bem definidos (Alta concentração em 
torno da velocidade predominante)
Curva 2 (Europa):
· Ventos com grandes variações de 
velocidade e direção
·
Ventos Diferentes
> 8 
7- 8
6-7
4-6
< 4 
Wind Speed (m/s @ 50m)
(10 m/s = 22.4 mph)
Wind Resource – U.S.A.
Midwestern United States is ‘Saudi Arabia of Wind’ 
6
> 8 
7- 8
6-7
4-6
< 4 
Wind Speed (m/s @ 50m)
Wind power penetration
0.0%
5.0%
10.0%
15.0%
20.0%
25.0%
Denmark Spain Germany Ireland Portugal Greece Netherlands EU
%
 o
f 
e
le
c
tr
ic
it
y
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Source: BTM Consult ApS - September 2005
Wind power penetration
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Source: BTM Consult ApS - September 2005
(10 m/s = 22.4 mph)
Wind Resource - Europe
7
Mapa das potencialidades 
eólicas do Brasil. 
https://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwieq7Lr3fXWAhXBEpAKHbdpCrIQjRwIBw&url=http://www.ventosbrasil.com/historico.html&psig=AOvVaw1dSTKZwG0OP5jk6ZrP3iGn&ust=1508263578490728
Em 2018 são 446 Usinas em 
Operação 
Distribuição geográfica do Potencial 
Eólico no Brasil
Brasil: Produção Eólica
• O Brasil possui capacidade para gerar até 300 GW;
• Atualmente a capacidade instalada é de 11,3 GW 
• Gerou em 2016: 3.000 GW
• Gerou em 2017: 3.800 GW
• Maior centro de geração de energia eólica do país: complexo eólico 
Alto Sertão , situado na Bahia, com capacidade de gerar até 680 MW 
(320 aerogeradores)
• É o país que produz a energia eólica mais competitiva no mundo:
• Europa é de R$ 300, R$ 350/ MW
• Brasil, no último leilão, foi de R$ 110/Megawatts.
• O Rio Grande do Norte tem capacidade para, em 2017, ser o maior 
produtor de energia eólica do país.
• Atualmente no Brasil existem 446 usinas
• A energia eólica será tão importante para o estado como o Petróleo.
Parques Eólicos
• Os parques eólicos são conjuntos de centenas de aero geradores
individuais ligados a uma rede de transmissão de energia elétrica.
• Os parques eólicos de pequena dimensão são usados na produção de
energia em áreas isoladas.
• As companhias de produção elétrica cada vez mais compram o
excedente elétrico produzido por aero geradores domésticos.
• Existem também parques eólicos ao largo da costa, uma vez que a força
do vento é superior e mais estável que em terra e o conjunto tem menor
impacto visual, embora o custo de manutenção seja bastante superior.
Complexo Eólico Alto Sertão I: localizado no
semiárido baiano, é o maior parque gerador
de energia eólica do Brasil e também da
América Latina. 300MW
Parque Eólico de Osório: instalado no
munício gaúcho de Osório, é o segundo
maior centro de geração de energia
eólica no Brasil -150 MW
Fundamentos da Geração Eólica:
• Para qualquer fluido em movimento, a velocidade do fluxo
aumenta na medida em que este se afasta das superfícies
que o delimitam. Portanto, a velocidade do vento aumenta
com a altura em relação à superfície da Terra, de forma
dependente da rugosidade do terreno.
• Por isso, as máquinas eólicas são geralmente instaladas em
torres elevadas, onde as velocidades são significativamente
maiores do que na superfície.
Potencial Eólico:
Área do rotor, A= πR2
• Circunferência onde o motor atua;
• Vai determinar quanta energia do vento a turbina eólica é 
capaz de captar;
• Como a área do rotor aumenta com o quadrado do raio. 
Uma turbina 2 vezes maior recebe 4 vezes mais energia;
Densidade do ar, = m/v
• A energia cinética é proporcional a sua massa;
• Quanto mais denso for o ar -> maior quantidade de 
energia a turbina receberá;
• ρ = 1,225kg/m3 (nível do mar);
Velocidade do vento, v
Potência do vento = 
1
2
. 𝜌. 𝐴. 𝑣3
Potência Eólica:
• A altura das torres desempenha um papel fundamental no 
projeto dos aerogeradores: observa-se que a velocidade dos 
ventos cresce com este parâmetro. 
• A previsões destes incrementos pode ser equacionada por:
5/1
2
1
2
1




=
h
h
v
v
vi: velocidade média dos ventos
hi : altura
Limite de Betz
Não é possível capturar toda a energia 
eólica pelo rotor. Caso contrário o ar não 
passaria através do mesmo.
Coeficiente de Potência (Cp)
Teoria de Beltz
O limite de Beltz indica que, mesmo para os 
melhores aproveitamentos eólicos, recupera-se 
apenas 59% da energia do vento.
Cp max = 0,59
Para uma aplicaçaõ real, este coeficiente está 
entre 35 a 45%
Diâmetro do Rotor
Turbina de Itaipu 700 MW
Aerogeradores.
A força do vento é captada por 
hélices ligadas a uma turbina que 
aciona um gerador elétrico
Espaçamento entre os Geradores 
• Direção do fluxo vento: 8 a 15 vezes diâmetros de rotor 
• Direção normal ao fluxo de vento: 5 vezes diâmetro do rotor
• Área de ocupação: cerca de 50 m2 de terreno por m2 de 
varredura de rotor.
Comparativo:
Eólica: 6 MW/km2
Itaipu: 10 MW/km2
Cana de açúcar: 1 MW/km2
Fotovoltaica: 2 MW/km2
Turbinas de Grande Porte
Características:
➔ Potência: 500kW – 2000kW 
➔ Controle: microprocessador 
➔ Conexão com rede elétrica
Turbinas de Pequeno Porte
Características:
➔ Potência: 100W – 50kW 
➔ Controle: mecânico 
➔ Independente da rede elétrica
Turbina Eólica de Pequeno Porte 
X 
Turbina Eólica de Grande Porte
The Kidwind Project
www.kidwind.org
Aspectos Ambientais
VANTAGENS:
• Alto potencial energético.
• Ser renovável.
• Possui grande vantagem por 
funcionar a noite
• Não emite gases poluentes nem 
gera resíduos
• Diminui a emissão de gases do 
efeito estufa
• Geração de investimentos em 
zonas desfaverecidas
• Custo operacional quase nulo
• Complementação energética
coma geração hidrelétrica
DESVANTAGENS:
• Custo de investimento alto
• Produção bastante variável
e incerta
• Sítios eólicos distantes das 
redes de transmissão
existentes.
• Impacto sonoro
• Impacto visual
• Impacto sobre as aves do 
local: principalmente pelo 
choque destas nas pás
Ruído das Turbinas
• Em pequenas turbinas as pás 
rodam em uma faixa média 
de 175-500 rpm. Grandes 
turbinas apresentam 
velocidade constante na faixa 
de 50-150 rpm.
Comparação dos níveis de ruído (em decibéis, a 250 m de 
distância) para uma hipotética turbina eólica com outras fontes de 
ruído. (Fonte: American Wind Energy Association) 
GERAÇÃO SOLAR
Energia Solar: Possibilidade de Aproveitamento
Conceitos Básicos:
• Tecnologia Fotovoltaica
• Sistemas Fotovoltaicos
• Efetuam a transformação da energia solar em elétrica
diretamente.
RADIAÇÃO SOLAR ELETRICIDADE
• Sistema Termossolar
• A energia solar é usada para produzir o vapor que acionará
uma termelétrica a vapor.
RADIAÇÃO SOLAR ENERGIA TÉRMICA ENERGIA
MECÂNICA ENERGIA ELÉTRICA
O Recurso Solar
• Energia recebida pela terra: 1,5125 x 1018 kWh / ano
• Radiação solar: Radiação eletromagnética
▪ Sendo 97% da radiação solar contida entre comprimentos 
de ondas de 0,3 a 3,0 μm, radiação de ondas curtas.
▪ A radiação sofre reflexões, dispersões e absorções durante o 
percurso.
• A incidência total da radiação solar
sobre um corpo localizado no solo é a soma das 
componentes direta, difusa e refletida
Radiação Solar na Superfície Terrestre
• Apresenta dependência:
• Estação do ano: devido principalmente à inclinação do eixo 
de rotação da Terra em relação ao plano da orbita em torno 
sol
• Região: devido principalmente às diferenças de latitude, 
condições meteorológicas e altitude
• Deserto Saara: 2600 kWh/m2.ano
• Norte Europa: 1000 kWh/m2.ano
• Estação solarimétrica:
Condições atmosféricas ótimas:
• Ao nível do mar, meio dia, céu limpo = 1kW/m2;
• A 1000 metros de altura = 1,05 kW/m2;
• Nas altas montanhas = 1,1 kW/m2;
Sistema de Conversão: Células Fotovoltaicas
• Princípio de funcionamento:
• Energia obtida da conversão direta da luz em 
eletricidade através do efeito fotovoltaico.
• Materiais Semicondutores
• Banda de Valência, Banda de Condução, GAP de 
energia.
• Propriedade fundamental: possibilidade de fótons, na 
faixa do visível, com energia superior ao gap do material, 
excitar elétrons da Banda de Valência para a Banda de 
Condução.
• Semicondutor mais utilizado: Silício
• Dopantes: Tipo P e Tipo N Junção PN
Efeito Fotovoltaico
• Materiais mais empregados:
• Si Monocristalino
• Custos elevados
• Si Policristalino
• Filmes finos
• Arseneto de Gálio
• As células fotovoltaicas são encapsuladas 
em módulos.
Módulo: Arranjo das Células
• Para se conseguir um fator de potência 
maior é necessário que as células sejam 
ligadas em série, formando o chamado 
módulo.
• Cada célula gera cerca de 0,4 V, para 
carregar baterias de 12 V, os módulo 
fotovoltaicos devem gerar 
aproximadamente 16 V(devido às 
perdas que ocorrem nos cabos e diodos 
de bloqueio)→ necessidade de 40 
células
𝜂 =
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐸𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑎 𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 (𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜)
𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑛𝑎 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒
Potência Instalada num Sistema 
Fotovoltaico
Exemplo: Módulo fotovoltaico: 480Wp
Significa que este módulo disponibilizará 480 Watts quando incidir na 
superfície 1000 W/m2
Considerando uma eficiência do módulo de 10%, então:
A – área ocupada pelo módulo 
A = 480Wp/(1000Wp/m2 . 0,10)
A = 4,8 m2
• Potência = ƞ x A x RSI onde
• Ƞ, rendimento do módulo
• A, área do painel, m2
• RSI, radiação solar incidente – fluxo de potência (kW/m2) –
valor médio ao longo do dia
Tipos de Sistema Fotovoltaico
• Sistema Autônomo:
• Consiste no sistema puramente fotovoltaico, não conectado à 
rede de distribuição;
• Principais constituintes: conjunto de módulos fotovoltaicos, 
regulador de tensão, sistema de armazenamento de energia 
(banco de baterias) e inversor.
• Sistema Conectado à rede:
• O arranjo fotovoltaico representa uma fonte 
complementar ao sistema elétrico de grande porte ao 
qual está conectado.
• Não possuem armazenamento de energia
Tipo de Sistema Fotovoltaico
MAIORES PLANTAS FOTOVOLTAICAS DO MUNDO
Planta Localidade/Ano/Área Potência (MW)
Longyangxia Dam Solar Park, 
China, 2013, 14 km2 850
Kamuthi Solar Power Project, 
Índia, 2016, 5 km2 648
Solar Star, EUA USA, 2015, 13 km
2 597
Topaz Solar Farm USA, 2014, 25 km
2 550
Desert Sunlight Solar Farm, USA, 2016, 16 km
2 550
Geração Termossolar
• Grande vantagem: possibilidade de armazenamento térmico
• Processo de converter a energia solar em energia térmica, e esta 
por sua vez em energia elétrica.
• Princípio de Funcionamento: convergência de raios solares para o 
ponto focal através de superfícies refletoras devidamente 
posicionadas.
• O processo de conversão passa por 4 sistemas básicos: 
• Coletor, receptor, transporte-armazenamento e conversão 
elétrica.
Coletor:
(campo de 
heliostatos) –
Campo de espelhos
Função de captar e concentrar a radiação solar 
incidente em uma superfície e dirigi-la até o sistema
onde a radiação é convertida em energia térmica.
Receptor Central Função de converter a radiação solar , transferindo 
calor a um fluido de trabalho – “TORRES DE 
POTÊNCIA”
Transporte e 
armazenamento
Fluido é transferido para o sistema onde a energia 
térmica nele contida é convertida em energia 
mecânica através dos ciclos termodinâmicos
Conversão Conversão de energia mecânica em elétrica. 
Processos convencionais utilizados na geração 
termelétrica
SISTEMAS TERMOSOLARES
Sistema de conversão – Torres de potência
Conversão indireta da radiação solar em eletricidade 
▪Nestas centrais existe uma torre receptora (caldeira com sal líquido) que 
recebe os raios refletidos por espelhos sempre orientados para o sol (heliostato). 
▪O sal é bombeado de um depósito "frio" a cerca de 290ºC para a torre e daí 
segue para o depósito "quente" a 565ºC.
▪ Este sal troca calor com a água para gerar vapor a alta temperatura (540ºC) 
e pressão, num gerador de vapor. 
▪Este vapor é expandido numa turbina, que tem seu eixo acoplado a uma 
gerador. 
P (kW) = ƞ . I (t) . N. Sh
Ƞ, eficiência total do sistema (0,15)
I, radiação solar direta (kW/m2)
N, área superfical de cada 
heliostato
• 2 diferentes fluidos de trabalho: HTF (fluido térmico, ex: sal 
fundido) e água. 
• TERMOACUMULAÇÃO: armazenamento. 
• A torre solar permite o armazenamento de grande quantidade 
de calor, fazendo com que a energia possa ser gerada mesmo 
durante a noite e dias nublados.
SISTEMAS TERMOSOLARES
UTEs Termossolares ➔ Ciclo Rankine
UTE BARSTOW
Heliostatos 1818
Área - heliostato 39,9 m2
Área total 291.000 m2
Potência 42 MW
Altura da torre 77,1 m
Receptor
24 painéis de 13,7 
m de altura, cada
painel tem 12,7 
mm de diâmetro
Diâmetro do 
Receptor
7 m
SISTEMAS TERMOSOLARES
UTEs Termossolares Parabólicas ➔ Ciclo Rankine
▪ O concentrador cilindro-parabólico é 
um coletor solar e sua superfície 
refletora concentra a luz solar num tubo 
receptor localizado ao longo do canal; 
O fluido presente no tubo é aquecido e, 
então, transportado a um ponto central 
através de uma tubulação.
Sistema distribuídos de conversão heliotérmica
Conversão indireta da radiação solar em eletricidade 
SISTEMAS TERMOSOLARES
UTE Termossolar Parabólica – CSP Solana – Arizona/EUA 
UTE CSP Solana
Concentradores
parabólicos
50.400
Área - concentrador 99,75 m2
Área total da planta 7,72 km2
Potência 280 MW
Energia 1,2 TWh
Fator de capacidade
(com armazenamento
de energia)
0,49
• Aplicação em baixa temperatura;
• Atualmente, nos setores comercial e residencial, o aquecimento solar é 
basicamente utilizado em piscinas e para obtenção de água quente 
doméstica.
• Circulação natural em função da densidade da agua
SistemasTermosolares
Energia solar: SISTEMAS TÉRMICOS PARA 
AQUECIMENTO DE ÁGUA
Coletor solar plano Acoplado - compacto
Coletor plano – eficiência = 45%
Tubos evacuados- eficiência 25% maior 
Devido as baixas perdas de calor e alcance de maiores 
temperaturas de água – custa três vezes mais