PDF 1 - O Sol como Fonte de Energia

Prévia do material em texto

Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
1 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
Unidade Didática 02:
 
 
Direitos autorais: https://www.freepik.com/photos/love 
https://bluesol.com.br/
https://www.freepik.com/photos/love
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
2 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Página em branco - Formato impressão frente e verso 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
https://bluesol.com.br/
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
3 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
SUMÁRIO 
1. O SOL COMO FONTE DE ENERGIA ......................................................................... 5 
1.1 Radiação eletromagnética .............................................................................. 6 
1.1.1 Luz Visível ................................................................................................ 6 
1.1.2 Aproveitamento da radiação ................................................................... 7 
1.1.3 Irradiância x Radiação ............................................................................. 7 
1.1.4 Radiação Solar ......................................................................................... 8 
1.1.5 Inclinação ideal ........................................................................................ 9 
1.2 Movimento de translação terrestre ............................................................. 10 
1.2.1 Solstício ................................................................................................. 11 
1.2.2 Equinócio ............................................................................................... 11 
1.2.3 Orientação ideal .................................................................................... 12 
1.3 Horas de sol-pico .......................................................................................... 12 
1.4 Referências ................................................................................................... 14 
 
 
https://bluesol.com.br/
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
4 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
 
 
 
 
 
 
 
 
PÁGINA EM BRANCO - FORMATO IMPRESSÃO FRENTE E VERSO 
 
https://bluesol.com.br/
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
5 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
1. O SOL COMO FONTE DE ENERGIA 
 
Figura 1 - Sistema solar. Fonte: https://www.infoescola.com/astronomia/planetas-do-sistema-solar/ 
 
O Sol, principal astro sistema que leva o nome de “Sistema Solar”, está no centro do 
sistema, sendo responsável por fornecer energia a todos os outros corpos que compõem 
o sistema solar. O Sol, por ter o maior volume e massa, está no centro do sistema, 
exercendo a maior força gravitacional sobre todos os outros astros que, por essa razão, 
orbitam-no. 
Composto majoritariamente de Hidrogênio (74% de sua massa, ou 92% de seu volume) 
e Hélio (24% da massa solar, 7% do volume solar), o Sol ainda têm outros elementos, 
incluindo Ferro, Níquel, Oxigênio, Silício, Enxofre, Magnésio, Néon, Cálcio e Crômio. 
Dessa forma, a energia que o Sol irradia provém principalmente de seu núcleo, onde a 
temperatura é aproximadamente 14 milhões de Kelvin. Essa gigantesca quantidade de 
energia é liberada em decorrência de uma reação termonuclear onde quatro átomos de 
Hidrogênio (H2) se combinam para formar um átomo de Hélio (He). Nessa reação de 
fusão, uma pequena parte da massa do átomo é transformada em energia. Como essas 
reações acontecem incessantemente, a cada segundo, cerca de 4,7 bilhões de toneladas 
da massa do Sol se transformam em energia, propagadas na forma de ondas 
eletromagnéticas e calor, conhecida como radiação eletromagnética. 
https://bluesol.com.br/
https://www.infoescola.com/astronomia/planetas-do-sistema-solar/
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
6 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
1.1 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 
A radiação solar é a junção de duas componentes de onda, elétrica e magnética. Como 
resultado, apresenta grande variação de comprimento e frequência, característica 
herdada da componente magnética. Além disso, através da vertente elétrica, fica 
responsável por transportar a “energia da luz” através do espaço, pelas partículas 
‘fótons’, muito conhecidas por nós pelos efeitos fotoelétrico, fotoquímico, fotovoltaico 
e de fotossíntese. 
Pode ser classificada de acordo com a frequência da onda, em ordem crescente, nas 
seguintes faixas: ondas baixas, rádio, micro-ondas, radiação terahertz, radiação 
infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, raios X e gama. 
 
Figura 2 - Espectro da radiação solar. Fonte: http://labcisco.blogspot.com/2013/03/o-espectro-eletromagnetico-na-
natureza.html 
1.1.1 Luz Visível 
Apenas uma pequena parcela da radiação solar com ondas de comprimento 
700 nm a 400 nm pode ser vista pelos olhos humanos. Essa luz visível é a responsável 
por permitir que seres humanos tenham horas de claridade durante um dia, vejam 
objetos e formas das mais variadas cores presentes no espectro luminoso. É também 
através dessas ondas que são transportadas grande parte da energia da radiação solar. 
https://bluesol.com.br/
http://labcisco.blogspot.com/2013/03/o-espectro-eletromagnetico-na-natureza.html
http://labcisco.blogspot.com/2013/03/o-espectro-eletromagnetico-na-natureza.html
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
7 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
Das ondas não visíveis a olho nu, rádio, micro-ondas e infravermelho, por possuírem 
grande comprimento, têm baixa oscilação de movimento e como consequência, 
carregam pouca energia. 
Por outro lado, as também não visíveis, mas perigosas ondas ultravioleta, raios X e gama, 
possuem pequeno comprimento de onda, alta oscilação de movimento e carregam 
grandes quantidades de energia. 
1.1.2 Aproveitamento da radiação 
Como já é sabido, as células fotovoltaicas utilizam da energia da radiação solar presente 
nos fótons para energizar e excitar os elétrons presentes na camada “n” que livres, 
passam a compor um movimento ordenado na presença de carga elétrica, gerando 
assim a corrente elétrica. 
 
Figura 3 - Aproveitamento fotovoltaico do espectro luminoso. Fonte: http://www.cresesb.cepel.br/ 
 
Do total de ondas que chegam à célula, desde a rádio com menor energia solar à onda 
gama, mais energética, a célula fotovoltaica tem a capacidade de converter em energia 
elétrica apenas as ondas presentes na luz visível. As de grande comprimento de onda e 
baixa frequência pouco excitam os elétrons, não contribuindo para o movimento, mas 
gerando aquecimento. Já, as de alta frequência e muita energia, causam um excesso de 
agitação nos átomos de Silício, causando aquecimento excessivo na célula fotovoltaica, 
mas também não contribuindo para o movimento de elétrons. 
1.1.3 Irradiância x Radiação 
É comum se deparar com literaturas sobre o tema da luz solar ora expostos como 
irradiância, ora como radiação solar. Embora tenham grafia muito semelhante e sejam 
correlatas,os significados podem ser definidos individualmente. 
https://bluesol.com.br/
http://www.cresesb.cepel.br/
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
8 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
A irradiância solar mensura a quantidade de potência luminosa que atinge uma unidade 
de área. Dessa forma, para a dimensão de potência, utiliza-se o Watt (W), já para a área, 
utiliza-se o metro-quadrado (m²), resultando, então, que a irradiância é medida 
em W/m². 
Em sequência, a radiação solar nada mais é que a quantidade de irradiância (potência) 
emitida pela fonte durante uma unidade de tempo. Usualmente, utiliza-se a escala de 
tempo em horas (h). Ainda, como o ciclo da radiação solar é diário, a resultante de 
medida é representada por Wh/m²/dia ou Wh/m²*dia-1. 
1.1.4 Radiação Solar 
 
Figura 4 - Componentes da radiação solar. Fonte: http://www.iep.org.br/semana_engenharia14/wp-
content/uploads/Energia-Solar.pdf 
1.1.4.1 Direta 
A radiação direta é parcela dos raios solares que atravessa a atmosfera e incide 
diretamente na superfície terrestre. É a componente mais abundante e que carrega 
grande parte dos fótons, sendo fortemente absorvida pelas células fotovoltaicas. 
https://bluesol.com.br/
http://www.iep.org.br/semana_engenharia14/wp-content/uploads/Energia-Solar.pdf
http://www.iep.org.br/semana_engenharia14/wp-content/uploads/Energia-Solar.pdf
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
9 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
1.1.4.2 Difusa 
A radiação difusa, como o próprio nome já diz, é aquela parcela que sofre um processo 
de difusão ou espalhamento. Esse efeito é uma consequência do choque dos raios 
solares contra edifícios ou gotículas de água presentes na atmosfera, por exemplo. A 
radiação difusa é a segunda mais absorvida dos sistemas fotovoltaicos. 
1.1.4.3 Albedo 
Por fim, a radiação de albedo é a resultante das ondas diretas e difusas que ao se 
chocarem com a superfície terrestre são refletidas e voltam para a atmosfera. 
1.1.5 Inclinação ideal 
Agora que já são conhecidos os movimentos de espalhamento dos raios solares quando 
entram em choque contra obstáculos e a superfície terrestre, é possível determinar com 
mais facilidade de que maneira inclinar os módulos fotovoltaicos em relação ao plano 
horizontal a fim de se obter o melhor aproveitamento da radiação solar. 
Portanto, a inclinação ideal do módulo proporciona que o máximo de luz solar chegue 
à superfície da célula fotovoltaica e não sofrendo nenhum tipo de reflexão para a 
atmosfera. Esse resultado é obtido quando o raio solar atinge a célula 
perpendicularmente à superfície do módulo. 
 
Figura 5 - Inclinação ideal do módulo fotovoltaico. Fonte: autor. 
Raio de Sol 
Plano horizontal 
90º 
. 
Ângulo ideal 
https://bluesol.com.br/
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
10 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
1.2 MOVIMENTO DE TRANSLAÇÃO TERRESTRE 
Parte fundamental do estudo sobre a geração fotovoltaica é conhecer as características 
do movimento de translação que a Terra faz em torno do Sol e que impacta diretamente 
na geração de energia elétrica através da fonte fotovoltaica. 
Esse movimento possui formato elíptico, como ilustrado na Figura 6, onde, em dois 
momentos da trajetória, a Terra está mais distante do Sol (pontos a e c) e em outros 
dois, está mais próxima (pontos b e d). 
 
Figura 6 - Movimento de translação da Terra. Fonte: http://astro.if.ufrgs.br/tempo/mas.htm 
 
Outro detalhe muito importante de se analisar é que a Terra está inclinada a 23,5º em 
relação ao seu próprio eixo vertical, significando que as quantidades de radiação solar 
que chegam aos polos Norte e Sul são distintas em grande parte do ano. 
Embora seja natural pensar que são os períodos de proximidade e distanciamento da 
Terra em relação ao Sol que causam as estações do ano (outono; inverno; primavera; 
verão), trata-se de um enorme engano, pois essas são causadas justamente pela 
inclinação da Terra perante seu próprio eixo vertical, como já mencionado 
anteriormente. 
https://bluesol.com.br/
http://astro.if.ufrgs.br/tempo/mas.htm
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
11 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
1.2.1 Solstício 
Os períodos de solstício acontecem duas vezes por ano, justamente nos momentos onde 
a Terra se encontra mais distante do Sol. Porém, como dito, não é a distância que 
impõem a condição climática ao planeta, mas sim a inclinação da Terra perante a 
radiação solar, como exposto na Figura 7. 
 
Figura 7 - Solstício terrestre. Adaptado de: http://astro.if.ufrgs.br/tempo/mas.htm 
Veja que, quando é verão no hemisfério Sul, a Terra está inclinada de tal maneira que a 
metade ao sul recebe mais radiação solar que a metade ao norte. O início desse período 
é marcado pelo dia 21 ou 22 de dezembro, solstício de verão no hemisfério Sul e solstício 
de inverno ao Norte. 
Quando a Terra está novamente no momento mais distante do Sol, mas agora na 
posição oposta, é a vez do hemisfério Norte ficar mais exposto a radiação solar, iniciando 
então o período de verão por lá. Dessa forma, no dia 21 ou 22 de junho tem-se o solstício 
de verão ao Norte e solstício de inverno ao Sul. 
1.2.2 Equinócio 
Se os solstícios são os períodos onde a radiação solar é mais percebida por um 
hemisfério que pelo outro, os equinócios são os momentos onde ambas as partes, Norte 
e Sul, recebem luz solar igualmente na mesma proporção e a Terra apresenta a menor 
distância em relação ao Sol. 
O equinócio de outono no hemisfério Sul e primavera ao Norte se dá no dia 21 ou 22 de 
março. Já, o contrário acontece entre os dias 22 ou 23 de setembro. 
https://bluesol.com.br/
http://astro.if.ufrgs.br/tempo/mas.htm
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
12 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
1.2.3 Orientação ideal 
Assim como se estudou a maneira ideal de se inclinar um módulo fotovoltaico a fim de 
obter o melhor rendimento da radiação solar incidente sobre a superfície da célula 
fotovoltaica, a orientação também deve seguir pressupostos ideais para que o 
aproveitamento seja o melhor possível. 
Para isso, sistemas fotovoltaicos instalados no hemisfério Norte, devem ser orientados 
para o Sul, uma vez que estão ‘acima’ da linha do Equador e percebem o movimento do 
Sol acontecendo de oeste para leste. Por outro lado, sistemas instalados no hemisfério 
Sul, estão posicionados ‘abaixo da linha do Equador e, por isso, devem ser orientados 
idealmente para o Norte. Dessa forma, aproveitarão o máximo do movimento solar. 
1.3 HORAS DE SOL-PICO 
Depois de conhecer todas as variações do movimento da Terra em relação ao Sol, 
chegou a hora de estudar a percepção de movimento que se tem do Sol em relação à 
Terra. 
Todos aqueles que estão localizados ao Sul da linha do Equador têm a sensação de que 
o Sol realiza um movimento anti-horário. Por isso, nasce a Leste e se põem a Oeste. Por 
outro lado, quem está ao Norte do Equador a visão do Sol é de um movimento no 
sentido horário, mesmo que o nascente continue no Leste e o poente no Oeste. 
Sendo assim, tomando como exemplo um sistema fotovoltaico instalado sobre o 
telhado de uma residência, no início do dia, logo ao ‘nascer do Sol’, a quantidade de 
radiação solar que chega até as superfícies dos módulos fotovoltaicosé bastante 
reduzida. Conforme o dia vai passando e se aproximando do meio dia, a radiação solar 
atinge o valor máximo esperado. Já, ao entardecer, a radiação solar incidente sobre os 
módulos fotovoltaicos vai se reduzindo juntamente com o pôr-do-sol. 
O aparente movimento do Sol durante um dia revela sua disponibilidade luminosa que 
pode ser ilustrada pelo gráfico da Figura 8, a seguir. Veja que a quantidade de radiação 
percebida na superfície terrestre é variável e depende diretamente das condições 
meteorológicas momentâneas do local onde se está medindo a quantidade de luz solar. 
https://bluesol.com.br/
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
13 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
Portanto, um dia de céu limpo e claro transpassa ao solo muito mais radiação que um 
dia nublado ou chuvoso. 
Com o intuito de facilitar o entendimento sobre a quantidade de energia solar disponível 
durante um dia, determinou-se o HSP (horas de sol-pico) como sendo a unidade de 
medida padrão para mensurar a quantidade de potência que chega até uma 
determinada área durante um dia. 
Dessa forma, estabeleceu-se que a medida padrão do HSP é a quantidade de horas (em 
um dia) que a radiação solar atinge a quantia de 1.000 W/m². 
Assim, como exposto no exemplo da Figura 8, em um dia ensolarado onde ao longo de 
12 horas de Sol (das 6:00 às 18:00), a quantidade de radiação solar medida foi de 
6.000 Wh/m², o HSP pode ser convertido em 6 horas, pois como sabido, o HSP mede a 
quantidade de horas no dia em que a radiação solar foi de 1.000 Wh/m². Portanto, 
nesse exemplo, 12 horas de Sol = 6 HSP. 
 
Figura 8 - Disponibilidade de radiação solar. Fonte: https://docplayer.com.br/78337121-Hugo-guilherme-
maestri.html 
https://bluesol.com.br/
https://docplayer.com.br/78337121-Hugo-guilherme-maestri.html
https://docplayer.com.br/78337121-Hugo-guilherme-maestri.html
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
14 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
1.4 REFERÊNCIAS 
BASU, S.; ANTIA, H.M. Helioseismology and Solar. Disponível em: 
<https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0370157307004565?via%3D
ihub>. Acesso em: 30 de julho de 2020. 
BRASIL. Energia heliotérmica – O Sol: fonte de energia. Disponível em: 
<http://energiaheliotermica.gov.br/pt-br/energia-heliotermica/o-sol-fonte-de-
energia>. Acesso em: 05 de agosto de 2020. 
FOGAÇA, Jennifer R. V. Luz solar e a radiação ultravioleta. Disponível em: 
<https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/luz-solar-radiacao-ultravioleta.htm>. 
Acesso em: 01 de agosto de 2020. 
PINHO, J. T. e GALINDO, M. A. Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. Rio 
de Janeiro: CEPEL - CRESESB. Março de 2014. Disponível em: 
<http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Manual_de_Engenharia_FV_20
14.pdf>. Acesso em: 29 de julho de 2020. 
RAMOS, Edson Osni. Sol: nossa fonte de energia. Disponível em: 
<http://www.pascal.com.br/sol-nossa-fonte-de-energia>. Acesso em: 01 de agosto de 
2020. 
STEFFEN, Carlos Alberto. Introdução ao Sensoriamento Remoto. Disponível em: 
<http://www3.inpe.br/unidades/cep/atividadescep/educasere/apostila.htm>. Acesso 
em: 30 de julho de 2020. 
SUPER INTERESSANTE. Qual é a fonte de energia Sol? Disponível em: 
<https://super.abril.com.br/mundo-estranho/qual-e-a-fonte-de-energia-do-sol/>. 
Acesso em: 04 de agosto de 2020. 
WIKIPEDIA. Energia Solar Fotovoltaica. Disponível em: 
<https://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_solar_fotovoltaica>. Acesso em: 30 de julho de 
2020. 
https://bluesol.com.br/
https://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_solar_fotovoltaica
 
 
Engº. Lucas S. Santana 
CREA-SP 5069860306 
www.bluesol.com.br 
15 
 
 Introdução aos Sistemas Fotovoltaicos 
WIKIPEDIA. Radiação eletromagnética. Disponível em: 
<https://pt.wikipedia.org/wiki/Radia%C3%A7%C3%A3o_eletromagn%C3%A9tica>. 
Acesso em: 05 de agosto de 2020. 
WIKIPEDIA. Sol. Disponível em: <https://pt.wikipedia.org/wiki/Sol#cite_ref-
Phillips1995-47_45-1>. Acesso em: 01 de agosto de 2020. 
https://bluesol.com.br/