Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Energia Solar

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Energia Solar Projeto FEUP2014/2015 Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Coordenadores gerais:armando Sousa & Manuel FirminoCoordenador de curso: J. N. Fidalgo Supervisor: J. N. Fidalgo Equipa 2 Turma 3 Monitor: Elsa Moura Estudantes & Autores: Afonso U. Moreiraup @fe.up.pt João P. Araújoup @fe.up.pt Edgar S. Matosup @fe.up.pt Maria Beatriz R. Gamaup @fe.up.pt Tiago da C. Abreuup @fe.up.pt 1

2 Resumo Este trabalho foi realizado no âmbito da cadeira Projeto FEUP, e teve como principal objetivo abordar cientificamente o tema da energia solar, apelando ao trabalho em equipa e à comunicação, de modo a desenvolver estas e outras soft skills indispensáveis à carreira de um engenheiro. Para a sua realização, recorremos a variados métodos de pesquisa, de entre os quais se destacam a pesquisa na internet (em sites fidedignos e atualizados), a pesquisa em teses de mestrado e a pesquisa em revistas científicas sobre o assunto. Optámos, para a realização do projeto, por fazer uma prévia divisão dos pontos a abordar pelos elementos do grupo, para uma melhor rentabilização do tempo disponível e, no fim, juntámos, de forma harmoniosa o trabalho de cada um, dando origem ao trabalho final; trabalho esse que foi minuciosamente revisto e modificado, quando necessário, por todos os elementos do grupo. Assim, obtivemos um produto final que nos permitiu concluir que a energia solar está, e deverá estar, nas próximas décadas, em grande crescimento, visto que se trata de uma energia 100% limpa e que, se bem aproveitada, é bastante rentável. Sendo, atualmente, no ramo das energias renováveis, aquela que mais PIB e mais empregos gera no país, poderá vir a ter ainda mais protagonismo na área da produção energética, se atentarmos na vasta quantidade de conhecimento que se tem vindo a obter acerca de como potenciar ao máximo a eficiência desta energia. 2

3 Palavras-Chave -Luz solar -Energia solar - Geradores - Centrais solares -Microgeração - Potência instalada - Painel fotovoltaico - Coletor solar, -Eficiência -Sustentabilidade 3

4 Índice Resumo...2 Palavras Chave Energia solar Tipos de geradores Gerador Fotóvoltaico....7 Gerador Térmico...8 Vantagens da energia solar Desvantagens da energia solar 11 Evolução da Energia Sola em Portugal Mundo.14 Central Solares térmica...15 Central cilindro-parabólica.16 Central de coletores Fresnel...17 Torres solares.18 Capacidades de Geração em Portugal...19 Conclusão 21 Referencial Bibliográficas..22 Anexos 23 4

5 Energia Solar Por Energia Solar entende-se a tecnologia necessária para tornar a energia presente nos fotões solares, que atingem a Terra, utilizável pelo Homem eficientemente, seja através de métodos fotovoltaicos ou de métodos de aquecimento solar. Segundo o National Renewable Energy Laboratory, a energia solar que atinge a Terra durante uma hora, se integralmente aproveitada, serviria para satisfazer as necessidades energéticas globais durante um ano. Por motivos de conservação ambiental e por necessidade de métodos alternativos aos combustíveis fósseis, que são cada vez mais escassos, a investigação e o progresso deste tipo de tecnologias é crucial para um desenvolvimento sustentável num futuro muito próximo, dado que o sol é considerado a fonte de energia renovável mais abundante, menos poluente e mais silenciosa. [1] 5

6 Tipos de Geradores As células solares podem ser utilizadas em diversas situações, como em centrais de produção de energia elétrica em zonas de grande densidade de energia solar. Nestas centrais, milhares de células são montadas em grandes painéis com rotação computorizada para acompanhar a deslocação diária da luz solar. Outra aplicação importante é nos painéis solares dos veículos espaciais, já que é a única fonte de energia disponível no espaço. [2] Também podem ser encontradas no quotidiano nos relógios, calculadoras, etc. que as utilizam para obter energia e também na alimentação de equipamentos de potência não muito elevada em locais sem rede elétrica de distribuição, como por exemplo, radiotelefones. [2] O gerador tem como função produzir energia elétrica a partir de outra energia, neste caso a solar. A eletricidade existe nos átomos que constituem a matéria, sob a forma de cargas elétricas positivas e negativas e o trabalho de um gerador de eletricidade consiste em separar estas cargas, agrupando cargas do mesmo sinal. A forma como a carga elétrica é disponibilizada pelo gerador, permite classificálos em geradores electroestáticos, de corrente contínua e de corrente alternada. [3] Existem vários geradores de eletricidade: os geradores eletrostáticos, já mencionados, os geradores eletroquímicos, os geradores eletromagnéticos e os geradores fotovoltaicos. 6

7 Gerador fotovoltaico Este gerador, tal como o próprio nome indica, baseia-se no efeito fotovoltaico, que consiste na criação de uma corrente elétrica através da incidência de luz em células fotovoltaicas (geralmente compostas por silício, boro e fósforo). Cada célula fotovoltaica é constituída por duas placas de silício sobrepostas, uma com carga positiva (Silício + Fósforo, placas do tipo N) e outra com carga negativa (Silício + Boro, placas do tipo P). A incidência da luz nas placas de silício causa uma excitação com aumento da energia cinética dos eletrões que as compõem, fazendo com que haja um fluxo destes da placa tipo P para a placa tipo N. Estas células são montadas em série e ligadas a um circuito frequentemente com uma bateria ou acumulador, para que a energia gerada pela corrente elétrica possa ser armazenada. Essencialmente, existem 3 tipos de células fotovoltaicas de silício (monocristalinas, policristalinas e amorfas), cujos rendimentos aumentam de forma proporcional à pureza dos cristais deste mineral que as constituem, sendo as mais rentáveis as de silício monocristalino, com uma eficiência na conversão de luz solar que ronda os 12% e as menos rentáveis as de silício amorfo, cuja eficiência na conversão de luz solar decai para os 7%. 7

8 Gerador Térmico Ao contrário do método fotovoltaico, o método solar térmico produz energia elétrica indiretamente. O aquecimento de água é o mais utilizado a nível doméstico. Este consiste em absorver os raios solares através de coletores solares, que os convertem em calor, que por sua vez irá aquecer a própria água ou um fluido se for utilizado como intermediario entre os coletores e a água a ser utilizada. A nível industrial, o calor altera as propriedades dos fluidos, causando um aumento de pressão que provocará a movimentação uma bobina, que por sua vez produz corrente elétrica. Os principais componentes desta forma de aproveitamento da energia solar são: o colector, o armazenamento térmico, os tubos condutores de calor e o reservatório de água Existem quatro tipos de sistemas solares térmicos: os passivos diretos, os passivos indiretos, os ativos diretos e os ativos indiretos. Os passivos são sistemas que trabalham por termossifão, ou seja, não necessitam de equipamento sofisticado, dado que o sistema cria uma diferença de densidade devida à diferença de temperatura, ganhando uma certa pressão que coloca o fluido em movimento. Nos ativos, a circulação do fluido é feita com o auxílio de uma bomba. Nos sistemas diretos, a água vai diretamente aos coletores para ser aquecida, e nos indiretos, esta é aquecida através da transferência de calor de outro fluido. O sistema passivo direto é o mais utilizado para fins domésticos devido à sua simplicidade, mas em países onde as temperaturas atingem mínimos negativos, há um risco de congelamento da água que entra no coletor. Assim como existem diferentes tipos de sistemas, também existem vários tipos de coletores. O mais comum é designado de coletor plano e destina-se ao aquecimento de água a temperaturas que podem chegar aos 60ºC. Este tipo de coletor é constituído por uma caixa (que isola o interior do exterior, evitando perdas de calor) e uma placa de absorção (constituída por materiais com elevada absorção de calor), que transforma a radiação em calor e o transfere para o fluido que entra no coletor. Tem ainda na sua constituição uma cobertura que fecha a caixa, minimizando os desperdícios de energia mas permitindo a passagem de radiação solar, devido à sua transparência. 8

9 Vantagens da Energia Solar A energia Solar não polui o ambiente, já que não envolve no seu processo nenhum tipo de queima nem libertação de gases; As centrais térmicas e fotovoltaicas necessitam de muito pouca manutenção, sendo, após um investimento inicial, uma forma de produzir energia pouco dispendiosa; Os painéis solares são cada vez mais potentes e baratos, o que os torna cada vez mais viáveis economicamente; A energia solar é uma ótima solução para a produção de energia elétrica em locais isolados e de difícil acesso, já que os painéis não implicam grandes custos quando instalados em pequena escala, nem de instalação, nem de manutenção, nem de transmissão; Os painéis solares são silenciosos, evitando-se assim a poluição sonora; Os equipamentos necessários à captação e transformação de energia solar em energia elétrica e térmica são relativamente acessíveis e é possível tê-los em casa, ou seja, existem e podem ser instalados em pequena escala. Desta forma, qualquer pessoa pode ter em sua casa um sistema que lhe permite baixar o valor da conta da eletricidade; Os painéis solares presentes nas residências são, normalmente, instalados nos telhados, não ocupando assim espaço potencialmente utilizável para outros fins. 9

10 Desvantagens da energia solar Existe uma grande oscilação na produção horária e diária de energia, já que este método de produção está dependente de fatores impossíveis de controlar por parte do Homem (estado do tempo, nebulosidade, disponibilidade de radiação solar, etc.); Locais situados em grandes latitudes, como a Finlândia, a Islândia, a Nova Zelândia, Chile, entre outros, sofrem, durante os meses de inverno, uma grande quebra na produção diária de energia; Para a utilização da energia durante a noite, é necessário um sistema de armazenamento viável para acumular a energia produzida durante o dia, uma vez que à noite deixa de estar disponível a radiação solar, obviamente indispensável à produção desta energia; Os sistemas de armazenamento de energia solar ainda são muito pouco eficientes, quando comparados com os dos combustíveis fósseis (carvão petróleo, gás, ) e com os da energia hidroelétrica; Alguns ambientalistas defendem que as centrais interferem negativamente com a Natureza, com os habitats naturais, a biodiversidade e o funcionamento dos ecossistemas. 10

11 Portanto, e após pesar todas as suas vantagens e desvantagens, podemos concluir que a energia solar é uma excelente alternativa tanto para a produção de energia elétrica como para o aquecimento das águas das nossas casas, no campo das energias renováveis, já que é uma energia limpa, que para além do custo inicial de instalação acarreta muito poucos custos, ou quase nenhuns. É ainda uma energia que não produz ruído e desconforto nas nossas casas e que está em grande expansão, já que a sua produção se está a tornar cada vez mais eficiente e se estão a obter cada vez mais conhecimentos sobre a forma de a otimizar. Podemos, por outro lado, também, retirar conclusões baseadas nas desvantagens, que, não sendo impeditivas de continuarmos a considerar esta forma de obter energia uma ótima opção, nos alertam para o facto de esta não ter, ainda, ao nível do armazenamento a eficiência que outras têm (nomeadamente a eólica e a hidroelétrica) e de nem sempre podermos dispor desta energia (nem sempre há luz solar disponível), a não ser que tenhamos um bom sistema de armazenamento, o que também constitui um problema, pelo facto destes não estarem, ainda, muito desenvolvidos e serem, ainda, pouco acessíveis. 11

12 Evolução da produção de energia solar em Portugal Em Portugal, bem como no resto do mundo, assiste-se a uma enorme tendência de crescimento em relação à utilização da radiação solar como fonte de energia. É o que podemos constatar através da leitura dos resultados de um estudo levado a cabo pela DELLOITE, a pedido da APREN, que nos apresenta um esquema [6] em que é possível observar uma tendência de crescimento no que tem vindo a ser a utilização desta energia a nível nacional. Estudo esse que culmina com uma previsão, também ela de crescimento, nos próximos 10/20 anos. Este estudo indica-nos, também, que foi o setor da energia solar que, dentro das energias renováveis, gerou mais PIB por potência instalada entre 2010 e 2013 [4], bem como o maior número de empregos por potência instalada no mesmo período de tempo [5]. Relativamente ao PIB gerado por esta energia, este provém sobretudo do facto de Portugal ter empresas no setor, que produzem este tipo de equipamentos, sendo que quanto mais o setor crescer, mais estas empresas fabricam e mais PIB geram. Estes dados são bastante encorajadores, tendo em conta o potencial que Portugal tem para aproveitar este tipo de fonte de energia, já que é o país da União Europeia onde a radiação solar média é mais elevada, depois do Chipre - energia2020. Desta forma, e atendendo aos dados do estudo acima referido, podemos concluir que, a verificar-se, o esperado aumento da utilização deste tipo de energia, será uma grande mais valia para o país, no sentido em que contribuirá tanto para o aumento do PIB, como para a criação de postos de trabalho. E, aproveitará as condições privilegiadas de que o nosso país dispõe para a produção de uma energia limpa, que, se bem explorada, poderá vir a ser ainda mais importante e rentável, pois tem todo o potencial para isso. 12

13 Central Solar Térmica Este tipo de central usa a energia do sol para produzir eletricidade em instalações de grande escala. A radiação solar é concentrada oticamente, permitindo alcançar temperaturas extremamente altas para otimizar a produção de energia. O princípio básico é comum a todos tipos de centrais pois todas utilizam sistemas de espelhos parabólicos que concentram a luz toda para um recetor. Estes sistemas são orientados na direção do sol de maneira que consigam concentrar a radiação direta. Esta radiação é convertida, em primeiro lugar, em energia térmica (calor), a uma temperatura de entre cerca de 200 a cerca de 1000 C (dependendo do sistema). Em seguida, a energia térmica pode ser convertida em energia elétrica através da passagem de vapor (resultante do processo anterior) por turbinas. Por vezes, também usado diretamente para os outros processos industriais, como por exemplo, a dessalinização, arrefecimento, ou, num futuro próximo, para a produção de hidrogénio. Devido a este princípio, o calor gerado é relativamente fácil e barato de armazenar e pode ser usado durante as horas de menor radiação solar ou até inexistente. Existem dois tipos de centrais, tendo cada uma um destes dois tipos de configurações: Sistema de espelhos com orientação linear: - Central cilindro-parabólica; - Central de coletores Fresnel. Sistema de espelhos com orientação pontual: - Torres solares; - Centrais disco/stirling. 13

14 Central Cilindro-parabólica Esta central é constituída por espelhos parabólicos, dispostos em linhas paralelas, que concentram a luz solar num tubo de absorção que passa pela zona onde a radiação é focada podendo gerar temperaturas máximas de 400 C. Neste tubo de absorção circula um fluido térmico que se converte em vapor, devido à elevada radiação, podendo chegar uma temperatura de 390 C. Este vapor é guiado para uma turbina de vapor que faz mover um gerador, produzindo eletricidade. A potência instalada neste tipo de central ronda os 50 mw. [9] 14

15 Central de coletores Fresnel Este sistema, com algumas semelhanças ao anterior, possui grandes espelhos planos ligeiramente curvados que concentram a radiação solar para um tubo absorvedor central, sendo estes, espelhos de menor custo económico mas também de menor rendimento anual. Nestes sistemas a potência instalada anda na casa dos 31 MW. [10] 15

16 Torres solares Nas centrais de torres solares, a radiação solar é refletida para uma torre situada no centro, cercada por centenas de espelhos que se movimentam automaticamente focando a radiação para o topo da torre, onde se situa um dispositivo absorvedor de radiação. Pelo facto de a concentração de luz solar ser muito mais elevada do que, por exemplo, os coletores parabólicos, as temperaturas atingidas são mais elevadas, cerca de 1000 C. Este aumento da rentabilidade é obtida, principalmente, através da utilização de turbinas a gás, o que deverá resultar na redução do custo de energia elétrica. A sua produção é cerca de 20MW, conseguindo produzir energia durante mais horas do que as anteriores. [11] 16

17 Centrais disco/stirling Esta central é constituída por um espelho parabólico que concentra a radiação solar num recetor térmico, que converte a energia solar diretamente em energia eletrica. A sua rentabilidade é cerca de 30 por cento e a sua potência instalada é de cerca de 10mw. [12] 17

18 Capacidades de geração em Portugal Centrais fotovoltaicas A central fotovoltaica Hércules está localizada na freguesia de Brinches do concelho de Serpa, uma das zonas mais ensolaradas da Europa. Com uma área total de 64 hectares, a central Hércules é coberta por 52 mil painéis fotovoltaicos de silício monocristalino de alto rendimento (14 a 18%), com a potência total de pico de 11 megawatts. Este projeto tem a capacidade para fornecer energia elétrica a 8000 casas (21 GWh) e evitará a emissão de cerca de 19 mil toneladas de dióxido de carbono por ano. A sua construção foi iniciada em maio de 2006 e a inauguração a 28 de março de A central fotovoltaica de Amareleja está instalada no concelho de Moura perto da vila da Amareleja. Tem uma capacidade instalada de 46,41 mw de pico, podendo fornecer energia elétrica cerca de 30 mil casas (93 GWh). A absorção da luz solar é feita por 2520 seguidores solares azimutais com 104 painéis cada um. Esta central pode evitar a emissão de cerca de 86 mil toneladas de dióxido de carbono. Centrais Solares Térmicas A Central Solar Térmica de Tavira terá uma potência instalada de 6,5 megawatts, equivalente, fornecendo energia a 4 mil casas. Nesta central através de uma tecnologia inovadora australiana gera eletricidade de forma não fotovoltaica. Os painéis solares terão uma forma parabólica que concentrará a energia solar de modo a produzir vapor de água. Este vapor de água acionará as turbinas produtoras de energia elétrica. 18

19 Microgeração O governo português simplificou o processo de licenciamento de microgeração de energia elétrica por particulares. Assim, qualquer consumidor de energia elétrica poderá passar a ser produtor e vender a energia gerada à rede elétrica nacional. Um dos casos situa-se nos jardins de São Bartolomeu em Lisboa que têm 16 unidades de microprodução, tornando-se o maior microprodutor ao abrigo do regime da microprodução. O projeto, da iniciativa dos moradores, contemplou a instalação de 288 painéis fotovoltaicos correspondentes a uma potência de pico de 58,8 kw, e uma produção elétrica de 80 MWh/ano. Energia solar térmica Coletor Solar Para além da produção de eletricidade, também existem coletores solares para aquecimento de água. Este processo de aquecimento de água é essencialmente usado por particulares. Entre os grandes utilizadores destaca-se o edifício sede da Caixa Geral de Depósitos com 1600 m² de coletores solares, com uma potência de 4 MWh/dia (167 kw). Este calor é usado para o aquecimento de água e climatização deste edifício onde trabalham cerca de 5000 pessoas. Este investimento evita a emissão de 500 toneladas de dióxido de carbono por ano. 19

20 Conclusão A realização deste trabalho permitiu melhorar os nossos conhecimentos acerca da energia solar e perceber de que forma é que esta pode ser utilizada para a produção de energia elétrica e térmica. Neste projeto, debruçamo-nos essencialmente sobre os tipos de geradores, as vantagens e as desvantagens deste tipo de energia, a evolução da sua produção em Portugal e os vários tipos de centrais e respetivas capacidades de produção. Desta forma foi-nos possível retirar algumas conclusões no que a estes pontos diz respeito. Primeiramente, concluímos que a energia solar é uma ótima alternativa no ramo das energias renováveis, pelo facto de ser 100% limpa e silenciosa, e de não necessitar de grandes custos de manutenção. De seguida pudemos obter mais informações acerca de como está o uso desta energia em Portugal, informações essas que nos deixaram bem impressionados, visto que está a ser feito, em Portugal, um grande investimento nesta energia. Concluindo, se o rumo que se está a traçar for seguido até ao fim e se esta energia se continuar a expandir como tem vindo a acontecer, não só a nível nacional, mas a nível mundial, será inevitável um melhoramento na qualidade de vida das populações e um será também um enorme contributo para um desenvolvimetno sustentável, permitindo, desta forma, manter alguns recursos atualmente em extinção (não renováveis) para as gerações vindouras e diminuir a poluição ambiental, pelo corte na utilização desses mesmos recursos. 20

21 Referências bibliográficas (2/10/2014) (3/10/2014) ovallera_mcbrito.pdf versao_resumida.pdf (7/10/2014) html [1] [2] [3] [9] [10] [11] 21

22 Anexos PIB gerado por MW instalado entre 2012 e 2013 em Portugal, por tecnologia [4] Como podemos ver pelos dados apresentados na figura X, a energia solar é aquela que mais PIB gerou por MW instalado por tecnologia entre 2010 e 2013.[1] 22

23 Emprego gerado por MW instalado por tecnologia entre 2012 e 2013 [5] A energia solar foi, também, de longe, aquela que gerou mais empregos por MW instalado por tecnologia entre 2010 e

24 Evolução da produção de electricidade renovável por tecnologia. [6] Nos próximos 20 anos, espera-se que a produção de energia recorrendo à radiação solar se eleve para valores cerca de 7 vezes mais elevados do que os que se registaram em 2013, fazendo, assim, desta energia renovável a terceira mais produtiva a nível nacional. 24

25 Exemplo de instalação de minigeração solar em Portugal [7] 25

26 Dados estatísticos referentes à produção de energias renováveis por tecnologia. [8] 26