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FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA 02/12/2017 1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CENTRO MULTIDISCIPLINAR PAU DOS FERROS DISCIPLINA: FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA DOCENTE: ALISSON RUAN SILVA DANTAS 1 ENERGIA SOLAR 02/12/2017 2 1. INTRODUÇÃO 3 • Quase todas as fontes de energia – hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar. • Além disso, a radiação solar pode ser utilizada DIRETAMENTE COMO FONTE DE ENERGIA TÉRMICA, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica. Pode ainda ser convertida diretamente em energia elétrica, por meio de efeitos sobre determinados materiais, entre os quais se destacam o TERMOELÉTRICO e o FOTOVOLTAICO. 1. INTRODUÇÃO 4 1. INTRODUÇÃO 02/12/201 7 5 1. INTRODUÇÃO 6 1. INTRODUÇÃO 7 • O APROVEITAMENTO da iluminação natural e do calor para aquecimento de ambientes, denominado AQUECIMENTO SOLAR PASSIVO, decorre da penetração ou absorção da radiação solar nas edificações, reduzindo-se, com isso, as necessidades de iluminação e aquecimento. • Assim, um melhor aproveitamento da radiação solar pode ser feito com o auxílio de TÉCNICAS MAIS SOFISTICADAS DE ARQUITETURA E CONSTRUÇÃO. 1. INTRODUÇÃO 8 • O APROVEITAMENTO TÉRMICO PARA AQUECIMENTO DE FLUIDOS é feito com o uso de COLETORES ou concentradores solares. • Os coletores solares são mais usados em aplicações residenciais e comerciais (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc.) para o aquecimento de água (higiene pessoal e lavagem de utensílios e ambientes). • OS CONCENTRADORES SOLARES destinam-se a aplicações que requerem temperaturas mais elevadas, como a SECAGEM DE GRÃOS E A PRODUÇÃO DE VAPOR. Neste último caso, pode-se gerar energia mecânica com o auxílio de uma turbina a vapor, e, posteriormente, eletricidade, por meio de um gerador. 1. INTRODUÇÃO 9 1. INTRODUÇÃO 10 • A conversão direta da energia solar em energia elétrica ocorre pelos efeitos da radiação (calor e luz) sobre determinados materiais, particularmente os SEMICONDUTORES. • Entre esses, destacam-se os EFEITOS TERMOELÉTRICO E FOTOVOLTAICO. O primeiro caracteriza-se pelo surgimento de uma diferença de potencial, provocada pela JUNÇÃO DE DOIS METAIS, em condições específicas. • No segundo, OS FÓTONS CONTIDOS NA LUZ SOLAR SÃO CONVERTIDOS EM ENERGIA ELÉTRICA, por meio do uso de células solares. 1. INTRODUÇÃO 11 • Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados atualmente são o AQUECIMENTO DE ÁGUA e a GERAÇÃO FOTOVOLTAICA DE ENERGIA ELÉTRICA. • No Brasil, o primeiro é mais encontrado nas regiões Sul e Sudeste, devido a características climáticas, e o segundo, nas regiões Norte e Nordeste, em comunidades isoladas da rede de energia elétrica. 1. INTRODUÇÃO 12 1. INTRODUÇÃO 13 2 RADIAÇÃO SOLAR 14 2. RADIAÇÃO SOLAR 15 • Além das CONDIÇÕES ATMOSFÉRICAS (nebulosidade, umidade relativa do ar etc.), a DISPONIBILIDADE DE RADIAÇÃO SOLAR, também denominada ENERGIA TOTAL INCIDENTE SOBRE A SUPERFÍCIE TERRESTRE, depende da latitude local e da posição no tempo (hora do dia e dia do ano). • Isso se deve à INCLINAÇÃO DO EIXO IMAGINÁRIO EM TORNO DO QUAL A TERRA GIRA diariamente (movimento de rotação) e À TRAJETÓRIA ELÍPTICA QUE A TERRA DESCREVE ao redor do Sol (translação ou revolução). 2. RADIAÇÃO SOLAR 16 • Desse modo, A DURAÇÃO SOLAR DO DIA – período de visibilidade do Sol ou de claridade – VARIA, EM ALGUMAS REGIÕES E PERÍODOS DO ANO, de zero hora (Sol abaixo da linha do horizonte durante o dia todo) a 24 horas (Sol sempre acima da linha do horizonte). • As variações são mais intensas nas regiões polares e nos períodos de solstício. • O inverso ocorre próximo à linha do Equador e durante os inócios. 2. RADIAÇÃO SOLAR 17 • A maior parte do território brasileiro está localizada relativamente PRÓXIMA DA LINHA DO EQUADOR, de forma que não se observam grandes variações na duração solar do dia. • Contudo, a maioria da população brasileira e das atividades socioeconômicas do País se concentra em regiões mais distantes do Equador. Em Porto Alegre, capital brasileira mais meridional (cerca de 30º S), A DURAÇÃO SOLAR DO DIA VARIA DE 10 HORAS E 13 MINUTOS A 13 HORAS E 47 MINUTOS, aproximadamente, entre 21 de junho e 22 de dezembro, respectivamente. 2. RADIAÇÃO SOLAR 18 • Desse modo, para MAXIMIZAR O APROVEITAMENTO DA RADIAÇÃO SOLAR, pode-se AJUSTAR A POSIÇÃO DO COLETOR ou painel solar DE ACORDO COM A LATITUDE LOCAL e o PERÍODO DO ANO em que se requer mais energia. • No Hemisfério Sul, por exemplo, um sistema de captação solar fixo deve ser orientado para o Norte, com ângulo de inclinação similar ao da latitude local. 2. RADIAÇÃO SOLAR • Duração solar do dia • INSOLAÇÃO 19 2. RADIAÇÃO SOLAR 20 2. RADIAÇÃO SOLAR 21 • Como indicado anteriormente, a radiação solar depende também das condições climáticas e atmosféricas. Somente parte da radiação solar atinge a superfície terrestre, devido à reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera. • Mesmo assim, estima-se que a energia solar incidente sobre a superfície terrestre seja da ordem de 10 MIL VEZES O CONSUMO ENERGÉTICO MUNDIAL (CRESESB, 2000). 2. RADIAÇÃO SOLAR 22 Federal de Santa Catarina – UFSC. • No Brasil, entre os esforços mais recentes e efetivos de avaliação da disponibilidade de radiação solar, destacam-se os seguintes: Universidade Federal de Pernambuco – UFPE e • a) ATLAS SOLARIMÉTRICO DO BRASIL, iniciativa da da Companhia Hidroelétrica do São Francisco – CHESF, em parceria com o Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito – CRESESB; • b) ATLAS DE IRRADIAÇÃO SOLAR NO BRASIL, elaborado pelo Instituto Nacional de Meteorologia – INMET e pelo Laboratório de Energia Solar – LABSOLAR, da Universidade 2. RADIAÇÃO SOLAR 23 2. RADIAÇÃO SOLAR 24 2. RADIAÇÃO SOLAR •OBS: 25 É importante ressaltar que mesmo as regiões com menores índices de radiação apresentam grande potencial de aproveitamento energético. 3 TECNOLOGIAS DE APROVEITAMENTO 26 3.1 COLETOR SOLAR 27 • COLETOR SOLAR: A radiação solar pode ser absorvida por coletores solares, principalmente para aquecimento de água, a temperaturas relativamente baixas (inferiores a 100ºC). • O uso dessa tecnologia ocorre predominantemente no SETOR RESIDENCIAL, mas há demanda significativa e aplicações em outros setores, como edifícios públicos e comerciais, hospitais, restaurantes, hotéis e similares. • Esse sistema de aproveitamento térmico da energia solar, também denominado AQUECIMENTO SOLAR ATIVO, envolve o uso de um coletor solar discreto. 3.1 COLETOR SOLAR 28 • O coletor é INSTALADO normalmente NO TETO das residências e edificações. • Devido à BAIXA DENSIDADE DA ENERGIA SOLAR que incide sobre a superfície terrestre, o atendimento de uma única residência pode REQUERER A INSTALAÇÃO DE VÁRIOS METROS QUADRADOS DE COLETORES. • Para o suprimento de água quente de uma residência típica (três ou quatro moradores), são necessários cerca de 4 m 2 de coletor. 3.1 COLETOR SOLAR 29 • CONCENTRADOR SOLAR: O aproveitamento da energia solar aplicado a sistemas que requerem temperaturas mais elevadas ocorre por meio de concentradores solares, cuja finalidade é captar a energia solar incidente numa área relativamente grande e concentrá-la numa área muito menor, de modo que a temperatura desta última aumente substancialmente. • A superfície refletora (espelho) dos concentradores tem FORMA PARABÓLICA OU ESFÉRICA, de modo que os raios solares que nela incidem sejam refletidos para uma superfície bem menor, denominada foco, onde se localiza o material a ser aquecido. 3.1 COLETOR SOLAR 30 • Os sistemas parabólicos de alta concentração atingem temperaturas bastante elevadas E ÍNDICES DE EFICIÊNCIA QUE VARIAM DE 14% A 22% DE APROVEITAMENTO DA ENERGIA SOLAR INCIDENTE, podendo ser utilizada para a geração de vapor e, consequentemente, de energia elétrica. • Contudo, a necessidade de focalizara luz solar sobre uma pequena área exige algum DISPOSITIVO DE ORIENTAÇÃO, acarretando CUSTOS adicionais ao sistema, os quais tendem a ser minimizados em sistemas de grande porte. 3.2 CONVERSÃO DIRETA DA RADIAÇÃO SOLAR EM ELETRICIDADE 31 • A radiação solar pode SER DIRETAMENTE CONVERTIDA EM ENERGIA ELÉTRICA, por meio de EFEITOS DA RADIAÇÃO (CALOR E LUZ) sobre determinados materiais, particularmente os SEMICONDUTORES. • Entre esses, destacam-se os efeitos termoelétrico e fotovoltaico. O primeiro se caracteriza pelo surgimento de uma diferença de potencial, provocada pela junção de dois metais, quando tal junção está a uma temperatura mais elevada do que as outras extremidades dos fios. • Embora muito empregado na construção de medidores de temperatura, seu uso comercial para a geração de eletricidade tem sido impossibilitado pelos baixos rendimentos obtidos e pelos custos elevados dos materiais. 3.2 CONVERSÃO DIRETA EM ELETRICIDADE 32 • O efeito fotovoltaico decorre da excitação dos elétrons de alguns materiais na presença da luz solar (ou outras formas apropriadas de energia). • Entre os materiais mais adequados para a conversão da radiação solar em energia elétrica, os quais são usualmente chamados de células solares ou fotovoltaicas, destaca-se o silício. • A eficiência de conversão das células solares é medida pela proporção da radiação solar incidente sobre a superfície da célula que é convertida em energia elétrica. Atualmente, as melhores células apresentam um índice de eficiência de 25% (GREEN et al., 2000). 3.2 CONVERSÃO DIRETA EM ELETRICIDADE • Para a geração de eletricidade em escala comercial, o principal OBSTÁCULO tem sido O CUSTO DAS CÉLULAS SOLARES. Os custos de capital variam entre 5 E 15 VEZES OS CUSTOS UNITÁRIOS DE UMA USINA A GÁS NATURAL que opera com ciclo combinado nos anos 2000. Contudo, nos últimos anos tem-se observado redução nos custos de capital. 33 3.2 CONVERSÃO DIRETA EM ELETRICIDADE 34 3.2 CONVERSÃO DIRETA EM ELETRICIDADE 35 • Existem muitos pequenos projetos nacionais de geração fotovoltaica de energia elétrica, principalmente para o suprimento de eletricidade em comunidades rurais e/ou isoladas do Norte e Nordeste do Brasil em virtude do PRODEEM. • Esses projetos atuam basicamente com quatro tipos de sistemas: • i) BOMBEAMENTO DE ÁGUA, para abastecimento doméstico, irrigação e piscicultura; • ii) ILUMINAÇÃO PÚBLICA; • iii) SISTEMAS DE USO COLETIVO, tais como eletrificação de escolas, postos de saú- de e centros comunitários; e • iv) ATENDIMENTO DOMICILIAR. Entre outros, estão as estações de telefonia e monitoramento remoto, a eletrificação de cercas, a produção de gelo e a dessalinização de água. 4 IMPACTOS SOCIOAMBIENTAIS 36 4. IMPACTOS SOCIOAMBIENTAIS 37 • Uma das restrições técnicas à difusão de projetos de aproveitamento de energia solar é a BAIXA EFICIÊNCIA DOS SISTEMAS DE CONVERSÃO DE ENERGIA, o que torna necessário o uso de grandes áreas para a captação de energia em quantidade suficiente para que o empreendimento se torne economicamente viável. • Comparada, contudo, a outras fontes, como a energia hidráulica, por exemplo, que muitas vezes requer grandes áreas inundadas, observa- se que A LIMITAÇÃO DE ESPAÇO NÃO É TÃO RESTRITIVA ao aproveitamento da energia solar. 4. IMPACTOS SOCIOAMBIENTAIS 38 • No caso da geração em escala comercial, algumas dificuldades podem ser elencadas: • GRANDES ÁREAS para a exposição solar; • Necessidade de EQUIPAMENTO DE ARMAZENAMENTO; • COMPETIÇÃO DE CUSTOS com as fontes convencionais; e • Tempo de implantação 5 RADIAÇÃO SOLAR 39 5. REVISÃO 40 • O aproveitamento da ENERGIA GERADA PELO SOL, INESGOTÁVEL na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio. • E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o SOL É RESPONSÁVEL PELA ORIGEM DE PRATICAMENTE TODAS AS OUTRAS FONTES DE ENERGIA. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas da energia do Sol. 5. REVISÃO 41 • É a partir da energia do Sol que se dá a EVAPORAÇÃO, origem do ciclo das águas, que possibilita o represamento e a conseqüente geração de eletricidade (hidroeletricidade). • A radiação solar também INDUZ A CIRCULAÇÃO ATMOSFÉRICA em larga escala, causando os VENTOS. Petróleo, carvão e gás natural originalmente, obtiveram a energia necessária ao foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que, seu desenvolvimento, da radiação solar. 5. REVISÃO IA • FORMAS DE APROVEITAMENTO: • CONVERSÃO DIRETA PARA AQUECIMENTO; • Aquecimento de água • Aquecimento de ambientes • Secagem de materiais e alimentos • Cozinha • Aquecimento industrial incluindo vapor e fornos solares. • CONVERSÃO PARA CALOR COM ETAPA TERMODINÂMICA INTERMEDIÁR • Destilação de água • Refrigeração • Potência mecânica ou produção de eletricidade a partir de calor • CONVERSÃO DIRETA PARA ELETRICIDADE • Conversão fotovoltáica • Conversão termoelétrica 42 5. REVISÃO 43 • ARQUITETURA BIOCLIMÁTICA • o estudo que visa HARMONIZAR AS CONSTRUÇÕES AO CLIMA e características locais, pensando no homem que habitará ou trabalhará nelas, e TIRANDO PARTIDO DA ENERGIA SOLAR, através de CORRENTES CONVECTIVAS NATURAIS e de MICROCLIMAS criados por vegetação apropriada. • É a ADOÇÃO DE SOLUÇÕES ARQUITETÔNICAS E URBANÍSTICAS adaptadas às condições específicas (clima e hábitos de consumo) de cada lugar, utilizando, para isso, a energia que pode ser diretamente obtida das condições locais. 5. REVISÃO 44 5. REVISÃO 45 • A Energia Solar Fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico). • O efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, é o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. • A célula fotovoltaica é a unidade fundamental do processo de conversão. 5. REVISÃO 46 • Inicialmente o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca, por empresas do setor de telecomunicações, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. • O segundo agente impulsionador foi a “corrida espacial”. A célula solar era, e continua sendo, o meio mais adequado (menor custo e peso) para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de permanência no espaço. • Outro uso espacial que impulsionou o desenvolvimento das células solares foi a necessidade de energia para satélites. 5. RADIAÇÃO SOLAR 47 • A crise energética de 1973 renovou e ampliou o interesse em aplicações terrestres. Porém, para tornar economicamente viável essa forma de conversão de energia, seria necessário, naquele momento, reduzir em até 100 vezes o custo de produção das células solares em relação ao daquelas células usadas em explorações espaciais. 5. RADIAÇÃO SOLAR 48 • O Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre, 1,5 X 1018 KWH de energia . Trata-se de um valor considerável, correspondendo a 10000 VEZES o consumo mundial de energia neste período. • Este fato vem indicar que, além de ser responsável pela manutenção da vida na Terra, a radiação solar constitui-se NUMA INESGOTÁVEL FONTE ENERGÉTICA, havendo um enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia (térmica, elétrica, etc.). 5. RADIAÇÃO SOLAR – CAPTAÇÃO E CONVERSÃO 49 • O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve em TRAJETÓRIA ELÍPTICA um PLANO que é INCLINADO de aproximadamente 23,5° COM RELAÇÃO AO PLANO EQUATORIAL. • ESTA INCLINAÇÃO É RESPONSÁVEL PELA VARIAÇÃO DA ELEVAÇÃO DO SOL NO HORIZONTE em relação à mesma hora, ao longo dos dias, dando origem às estações do ano e dificultando os cálculos da posição do Sol para uma determinada data. 5. RADIAÇÃO SOLAR – CAPTAÇÃO E CONVERSÃO 50 • A posição angular do Sol, ao meio dia solar, em relação ao plano do Equador(Norte positivo) é chamada de Declinação Solar (δ). • Este ângulo, de acordo com o dia do ano, dentro dos seguintes limites: -23,45° ≤ δ ≤ 23,45° • A SOMA DA DECLINAÇÃO COM A LATITUDE LOCAL determina a TRAJETÓRIA do movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra. 5. RADIAÇÃO SOLAR – CAPTAÇÃO E CONVERSÃO 51 5. RADIAÇÃO SOLAR – CAPTAÇÃO E CONVERSÃO • Antes de atingir o solo, as características da radiação solar (intensidade, distribuição espectral e angular) são afetadas por interações com a atmosfera devido aos efeitos de absorção e espalhamento. • Estas modificações são dependentes da espessura da camada atmosférica, também identificada por um coeficiente denominado "Massa de Ar" (AM), e, portanto, do ângulo Zenital do Sol, da distância Terra-Sol e das condições atmosféricas e meteorológicas. 52 5. RADIAÇÃO SOLAR – NÍVEL DO SOLO 53 • De toda a radiação solar que chega às camadas superiores da atmosfera, APENAS UMA FRAÇÃO ATINGE A SUPERFÍCIE TERRESTRE, devido à reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera. • Esta fração que atinge o solo é constituída por um componente DIRETA (ou de feixe) e por uma componente DIFUSA. 5. RADIAÇÃO SOLAR – NÍVEL DO SOLO 54 5. RADIAÇÃO SOLAR 55 • Notadamente, se a superfície receptora estiver inclinada com relação à horizontal, HAVERÁ UMA TERCEIRA COMPONENTE REFLETIDA PELO AMBIENTE DO ENTORNO (solo, vegetação, obstáculos, terrenos rochosos, etc.). • O COEFICIENTE DE REFLEXÃO destas superfícies é denominado de “ALBEDO”. • Devido à alternância de dias e noites, das estações do ano e períodos de passagem de nuvens e chuvosos, O RECURSO ENERGÉTICO SOLAR APRESENTA GRANDE VARIABILIDADE, induzindo, conforme o caso, à seleção de um sistema apropriado de estocagem para a energia resultante do processo de conversão. 6 SOLARIMETRIA E INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO 56 6. SOLARIMETRIA E INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO 57 • A medição da radiação solar, TANTO A COMPONENTE DIRETA COMO A COMPONENTE DIFUSA na superfície terrestre é de maior importância para o estudos das influências das condições climáticas e atmosféricas. • Com um HISTÓRICO dessas medidas, pode-se VIABILIZAR A INSTALAÇÕES de sistemas térmicos e fotovoltaicos em uma determinada região GARANTINDO O MÁXIMO APROVEITAMENTO AO LONGO DO ANO onde, as variações da intensidade da radiação solar sofrem significativas alterações. 6. SOLARIMETRIA E INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO 58 • PIRANÔMETROS • Os piranômetros medem a RADIAÇÃO GLOBAL. • Este instrumento caracteriza-se pelo USO DE UMA TERMOPILHA que mede a DIFERENÇA DE TEMPERATURA ENTRE DUAS SUPERFÍCIES, uma pintada de preto e outra pintada de branco igualmente iluminadas. • A EXPANSÃO sofrida pelas superfícies provoca um DIFERENCIAL DE POTENCIAL que, ao ser medida, mostra o valor instantâneo da energia solar. 6. SOLARIMETRIA E INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO • PIRELIÔMETROS • Os pireliômetros são instrumentos que medem a RADIAÇÃO DIRETA. • Ele se caracteriza por apresentar uma PEQUENA ABERTURA DE FORMA A “VISUALIZAR” APENAS O DISCO SOLAR e a região vizinha denominada circunsolar. • O instrumento SEGUE O MOVIMENTO SOLAR onde é constantemente ajustado para focalizar melhor a região do sensor. 59 6. SOLARIMETRIA E INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO registra a DURAÇÃO DO • HELIÓGRAFO • Instrumento que BRILHO SOLAR. • A radiação solar é focalizada por uma ESFERA DE CRISTAL de 10 cm de diâmetro sobre uma fita que, pela ação da radiação é energrecida. • O comprimento desta fita exposta a radiação solar mede o número de horas de insolação. 60 6. SOLARIMETRIA E INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO 61 medir a RADIAÇÃO • ACTINÓGRAFO • Instrumento usado para GLOBAL. • Este instrumento é composto de sensores baseados na expansão DIFERENCIAL DE UM PAR BIMETÁLICO. • Os sensores são conectados a uma pena que, quando de suas expansão, registram o valor instantâneo da radiação solar. SUA PRECISÃO encontra-se NA FAIXA DE 15 A 20% e é considerado um instrumento de terceira classe. 7 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 62 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 63 • Um dos fatores que impossibilitava a utilização da energia solar fotovoltaica em larga escala era o alto custo das células fotovoltaicas. • As primeiras células foram produzidas com o custo de US$600/W para o programa espacial. • Com a ampliação dos mercados e várias empresas voltadas para a produção de células fotovoltaicas, o preço tem reduzido ao longo dos anos podendo ser encontrado hoje, para grandes escalas, o custo médio de US$ 8,00/W. 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 64 utilizados em• Atualmente, os sistemas fotovoltaicos vêm sendo instalações remotas possibilitando vários projetos: • Sociais, • Agropastoris, • Irrigação e • Comunicações. • As facilidades de um sistemas fotovoltaico tais como: • modularidade, • baixos custos de manutenção e vida útil longa, fazem com que sejam de grande importância para instalações em lugares desprovidos da rede elétrica. 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – EFEITO FOTOVOLTÁICO • O EFEITO FOTOVOLTAICO dá-se em materiais da natureza denominados SEMICONDUTORES que se caracterizam pela presença de bandas de energia onde é permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra onde totalmente “vazia” (banda de condução). 65 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – EFEITO FOTOVOLTÁICO 66 • O semicondutor MAIS USADO É O SILÍCIO. Seus átomos se caracterizam por possuirem QUATRO ELÉTRONS QUE SE LIGAM AOS VIZINHOS, FORMANDO UMA REDE CRISTALINA. • Ao ADICIONAREM-SE ÁTOMOS COM CINCO ELÉTRONS DE LIGAÇÃO, como o FÓSFORO, por exemplo, HAVERÁ UM ELÉTRON EM EXCESSO que não poderá ser emparelhado e que ficará "SOBRANDO", fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto faz com que, COM POUCA ENERGIA TÉRMICA, este elétron se livre, indo para a banda de condução. • Diz-se assim, que O FÓSFORO É UM DOPANTE DOADOR DE ELÉTRONS e denomina-se DOPANTE N ou impureza n. 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – EFEITO FOTOVOLTÁICO 67 • Se, por outro lado, introduzem-se ÁTOMOS COM APENAS TRÊS ELÉTRONS DE LIGAÇÃO, como é o caso do BORO, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede. • ESTA FALTA DE ELÉTRON É DENOMINADA BURACO ou lacuna e ocorre que, COM POUCA ENERGIA TÉRMICA, UM ELÉTRON DE UM SÍTIO VIZINHO PODE PASSAR A ESTA POSIÇÃO, fazendo com que o buraco se DESLOQUE. • Diz-se portanto, que o boro é um ACEITADOR DE ELÉTRONS ou um Dopante p 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – EFEITO FOTOVOLTÁICO 68 • Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma metade e de fósforo na outra, será formado o que se chama JUNÇÃO PN. • O que ocorre nesta junção é que elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam. 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – EFEITO FOTOVOLTÁICO 69 • Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a geração de pares elétron-lacuna. • Se isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção; este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. • Se as duas extremidades do "pedaço" de silício forem conectadas por um fio, haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base do funcionamento das células fotovoltaicas. 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – EFEITO FOTOVOLTÁICO 70 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – EFEITO FOTOVOLTÁICO 71 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – EFEITO FOTOVOLTÁICO 72 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – TIPOS DE CÉLULAS • SILÍCIO MONOCRISTALINO • A célula de silício as maishistoricamente comercializada como conversor usadas direto monocristalino é e de energia solar em eletricidade e a tecnologia para sua fabricação é um processo básico muito bem constituído. • A fabricação da célula de silício começa com a extração do cristal de dióxido de silício. Este material é desoxidado em grandes fornos, purificado e solidificado.73 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – TIPOS DE CÉLULAS 74 • SILÍCIO MONOCRISTALINO • Dentre as células fotovoltaicas que utilizam o silício como material base, as monocristalinas são, em geral, as que apresentam as maiores eficiências. • As fotocélulas comerciais obtidas com o processo descrito atingem uma eficiência de até 15% podendo chegar em 18% em células feitas em laboratórios. 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – TIPOS DE CÉLULAS • SILÍCIO POLICRISTALINO baratas que as de silício monocristalino • As células de silício policristalino são mais por exigirem um processo de preparação das células menos rigoroso. • A eficiência, no entanto, cai um pouco em comparação as células de silício monocristalino. • O processo de pureza do silício utilizada na produção das células de silício policristalino é similar ao processo do Si monocristalino, o que permite obtenção de níveis de eficiência compatíveis. 75 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – TIPOS DE CÉLULAS 76 • SILÍCIO POLICRISTALINO • Basicamente, as técnicas de fabricação de células policristalinas são as mesmas na fabricação das células monocristalinas, porém com menores rigores de controle. • Cada técnica produz cristais com características específicas, incluindo tamanho, morfologia e concentração de impurezas. Ao longo dos anos, o processo de fabricação tem alcançado eficiência máxima de 12,5% em escalas industriais. 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – TIPOS DE CÉLULAS • SILÍCIO AMORFO • Uma célula de silício amorfo difere das demais estruturas cristalinas por apresentar alto grau de desordem na estrutura dos átomos. • A utilização de silício amorfo para uso em fotocélulas tem mostrado grandes vantagens tanto nas propriedades elétricas quanto no processo de fabricação. • Por apresentar uma absorção da radiação solar na faixa do visível e podendo ser fabricado mediante deposição de diversos tipos de substratos, o silício amorfo vem se mostrando uma forte tecnologia para sistemas fotovoltaicos de baixo custo. 77 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – TIPOS DE CÉLULAS 78 • SILÍCIO AMORFO • Mesmo apresentando um custo reduzido na produção, o uso de silício amorfo apresenta duas desvantagens: • a primeira é a baixa eficiência de conversão comparada às células mono e policristalinas de silício; • em segundo, as células são afetadas por um processo de degradação logo nos primeiros meses de operação, reduzindo assim a eficiência ao longo da vida útil 7. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA – TIPOS DE CÉLULAS 79 • SILÍCIO AMORFO vantagens que• Por outro lado, o silício amorfo apresenta compensam as deficiências acima citados, são elas: • processo de fabricação relativamente simples e barato; • possibilidade de fabricação de células com grandes áreas; • Baixo consumo de energia na produção. 8 MÓDULOS FOTOVOLTÁICOS 80 8. MÓDULOS FOTOVOLTÁICOS 81 • Pela BAIXA TENSÃO E CORRENTE DE SAÍDA em uma célula fotovoltaica, AGRUPAM-SE VÁRIAS CÉLULAS FORMANDO UM MÓDULO. O arranjo das células nos módulos podem ser feito conectando-as em SÉRIE ou em PARALELO. • Ao conectar as células em paralelo, soma-se as correntes de cada módulo e a tensão do módulo é exatamente a tensão da célula. • A CORRENTE produzida pelo efeito fotovoltaico é CONTÍNUA. • Pelas características típicas das células (CORRENTE MÁXIMA por volta de 3A e tensão muito baixa, em torno de 0,7V) este arranjo não é utilizado salvo em condições muito especiais. 8. MÓDULOS FOTOVOLTÁICOS • CONEXÃO DE CÉLULAS EM PARALELO 82 8. MÓDULOS FOTOVOLTÁICOS • A CONEXÃO mais comum DE CÉLULAS fotovoltaicas em módulos é o arranjo em série. • Este consiste em agrupar o maior número de células em série onde SOMA-SE A TENSÃO DE CADA CÉLULA CHEGANDO A UM VALOR FINAL DE 12V o que possibilita a carga de acumuladores (baterias) que também funcionam na faixa dos 12V. 83 8. MÓDULOS FOTOVOLTÁICOS • CONEXÃO DE CÉLULAS FOTOVOLTÁICAS EM SÉRIE 84 8. MÓDULOS FOTOVOLTÁICOS • CONEXÃO DE PAINÉIS 85 8.1 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS MÓDULOS FOTOVOLTÁICOS 86 • Geralmente, a potência dos módulos é dada pela POTÊNCIA DE PICO; • Tão necessário quanto este parâmetro, existe outras características elétricas que melhor caracterizam a funcionabilidade do módulo; • As principais características elétricas dos modúlos fotovoltaicos são as seguintes: • Voltagem de circuito aberto (Voc); • Corrente de curto circuito (Isc); • Potência máxima (Pm); • Voltagem de potência máxima (Vmp); • Corrente de potência máxima (Imp). 87 8.1 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS MÓDULOS FOTOVOLTÁICOS 8.1 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS MÓDULOS FOTOVOLTÁICOS • GRÁFICOS DAS CARACTERÍSTICAS 88 8.2 FATORES QUE AFETAM AS CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS MÓDULOS 89 • Os principais fatores que influenciam nas características elétricas de um painel é a INTENSIDADE LUMINOSA e a TEMPERATURA DAS CÉLULAS. • A CORRENTE gerada nos módulos AUMENTA LINEARMENTE com o aumento da INTENSIDADE LUMINOSA. • Por outro lado, o AUMENTO DA TEMPERATURA na célula faz com que a EFICIÊNCIA DO MÓDULO CAIA abaixando assim os pontos de operação para potência máxima gerada. 9 COMPONENTES DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO 90 9. COMPONENTES DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO 91 • Um sistema fotovoltaico pode ser classificado em três categorias distintas: • Sistemas isolados; • Híbridos; e • Conectados a rede. • Os sistemas obedecem a uma configuração básica onde o sistema deverá ter uma unidade de controle de potência e também uma unidade de armazenamento. 9. COMPONENTES DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO 92 9.1 SISTEMAS ISOLADOS 93 • Sistemas isolados, em geral, UTILIZA-SE alguma forma de ARMAZENAMENTO DE ENERGIA. • Este armazenamento pode ser feito através de BATERIAS, quando se deseja utilizar aparelhos elétricos ou armazena-se na forma de energia gravitacional quando se bombeia água para tanques em sistemas de abastecimento. • ALGUNS sistemas isolados NÃO NECESSITAM DE ARMAZENAMENTO, o que é o caso da irrigação onde toda a água bombeada é diretamente consumida ou estocadas em reservatórios. 9.1 SISTEMAS ISOLADOS 94 • Em sistemas que necessitam de armazenamento de energia em baterias, usa-se um DISPOSITIVO PARA CONTROLAR A CARGA e a descarga na bateria. • O “controlador de carga” tem como principal função NÃO DEIXAR QUE HAJA DANOS NA BATERIA POR SOBRECARGA OU DESCARGA PROFUNDA. • O controlador de carga é usado em sistemas pequenos onde os aparelhos utilizados são de baixa tensão e corrente contínua (CC). 9.1 SISTEMAS ISOLADOS 95 • Para ALIMENTAÇÃO de equipamentos de CORRENTE ALTERNADA (CA) é necessário um INVERSOR. • Este dispositivo geralmente incorpora um seguidor de ponto de máxima potência necessário para otimização da potência final produzida. • Este sistema é usado quando se deseja mais conforto na utilização de eletrodomésticos convencionais. 96 9.1 SISTEMAS ISOLADOS 97 9.1 SISTEMAS ISOLADOS 9.2 SISTEMAS HÍBRIDOS 98 • Sistemas híbridos são aqueles que, DESCONECTADO DA REDE convencional, apresenta VÁRIAS FONTES DE GERAÇÃO DE ENERGIA como por exemplo: • Turbinas eólicas, • Geração diesel, • Módulos fotovoltaicos • Entre outras. • A utilização de várias formas de geração de energia elétrica torna-se COMPLEXA na necessidade de OTIMIZAÇÃO do uso das energias. • É necessário um CONTROLE de todas as fontes para que haja MÁXIMA EFICIÊNCIA na entrega da energia para o usuário. 99 9.2 SISTEMAS HÍBRIDOS 9.3 SISTEMAS CONECTADOS À REDE 10 0 • Estes sistemas utilizam grandes números de painéis fotovoltaicos, e não utilizam armazenamento de energia pois toda a geração é entregue diretamente na rede. • Este sistema representa uma FONTE COMPLEMENTAR AO SISTEMA ELÉTRICO de grande porte ao qual esta conectada. • Todo o arranjo é conectado em inversores e logo em seguida guiados diretamente na rede. • Estes inversores devem satisfazer as exigências de qualidade e segurança para que a rede não seja afetada. 10 1 9.3 SISTEMAS CONECTADOS À REDE REFERÊNCIAS 10 2 • ANEEL – AGÊNCIA NACIONALDE ENERGIA ELÉTRICA • PALZ, Wolfgang. Energia Solar e Fontes Alternativas
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