PEA 3110 Energia, Meio Ambiente e Sustentabilidade

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1 PEA 3110 Energia, Meio Ambiente e Sustentabilidade Aula 4 Energia Solar slide 1 / 51

2 Fator de Capacidade (FC) de uma UHE Não sendo constante a vazão instantânea: Potência elétrica instantânea Ed Energia diária gerada i i 0 24 Pe (kw) Pe i dt i Curva diária de geração Potência instalada Potência máxima Potência média Fator de capacidade - FC FC = energia efetivamente gerada Máxima energia possível de ser gerada = i 24 i 0 Pe P max 24/ i dt i dia = Pmédia / Pmáxima Então: Ed Pmax FC 24h / dia horas slide 2 / 51

3 Exemplo: Uma usina hidrelétrica de 1 MW apresenta a seguinte curva diária de geração: P hidraulica 9,81 H Q ( kw ) TOT Calcule: - Potência instalada - Potência máxima - Potência média - Fator de capacidade diário kw Qual a diferença entre capacidade ou potência instalada e potência máxima? horas A potência máxima instantânea pode ser igual à potência ou capacidade instalada? Quando isto acontece? slide 3 / 51

4 Energia Solar POSSIBILIDADES DE APROVEITAMENTO Energia térmica A baixa temperatura (até 100 o C) Aquecimento de ambientes aquecimento de água Condicionamento de ar refrigeração evaporação destilação geradores de vapores de líquidos especiais A média temperatura (até 1000 o C) Transformação em energia elétrica e mecânica Geradores de vapor d água fornos solares A alta temperatura (além de 1000 o C) mediante fornos solares parabólicos Transformação direta em energia elétrica Processos fotovoltaicos Processos fotoquímicos Químicos Bioquímicos Biológicos Fotossíntese Fotossíntese slide 4 / 51

5 ENERGIA SOLAR FORMAS DE CONVERSÃO EM ELETRICIDADE slide 5 / 51

6 O RECURSO SOLAR: CARACTERÍSTICAS Energia recebida pela terra: 1, kwh / ano de energia Radiação solar: Radiação eletromagnética = Constante solar = 1367 W / m 2 Quantidade de energia que incide numa superfície unitária, normal aos raios solares, por unidade de tempo, numa região situada no topo da atmosfera slide 6 / 51

7 Radiação Consiste em um dos meios de transferência de calor. É emitida de um corpo na forma de onda eletromagnética, que consiste em campos elétricos e magnéticos cujas amplitudes variam com o tempo. Tipos de ondas eletromagnéticas: luz visível, ondas de rádio, microondas, raio X e radiação infravermelha. slide 7 / 51

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9 O sol cuja temperatura na superfície é de aproximadamente 6000 graus, emite um espectro de radiação centrado na região do visível, principalmente perto da região amarela. Entretanto há componentes intensos de luz infravermelha e ultravioleta da ordem de 50% e 9% respectivamente. slide 9 / 51

10 RADIAÇÃO SOLAR NA SUPERFÍCIE TERRESTRE Data Variabilidade da radiação solar É função: da alternância de dias e noites; das estações do ano; dos períodos de passagem de nuvens. Data Condições atmosféricas ótimas: Ao nível do mar = 1kW/m2; A 1000 metros de altura = 1,05 kw/ m2; Nas altas montanhas = 1,1 kw/ m2; Fora da atmosfera = 1,367 kw/ m2. slide 10 / 51

11 EFEITO FOTOVOLTAICO Corrente CC, tensão de saída = 0,6Volts slide 11 / 51

12 MATERIAIS UTILIZADOS NA FABRICAÇÃO DAS CÉLULAS slide 12 / 51

13 Tecnologias Filmes finos Telhas fotovoltaicas slide 13 / 51

14 POTÊNCIA INSTALADA DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO Por exemplo: Deseja-se instalar 480Wp de potência: Sendo potência instalada em Wp, então: radiação solar = 1000W/m 2 Considerando uma eficiência do módulo de 10%, então: A área ocupada pelo módulo A = 480Wp/(1000Wp/m 2. 0,10) A =4,8 m 2 slide 14 / 51

15 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Autônomo Conectado à Rede slide 15 / 51

16 INCLINAÇÃO? ORIENTAÇÃO? São Paulo (Lat. 23,43) Critério de projeto: Pior mês? Valor Médio? Radiação no Inverno ou Verão? slide 16 / 51

17 SISTEMA FOTOVOLTAICO - APLICAÇÕES slide 17 / 51

18 MAIORES PLANTAS FOTOVOLTAICAS DO MUNDO Planta Localidade/Ano Potência (MWp) Sarnia PV Power Plant Canadá, ,0 Moltalto di Castro Itália, ,2 Finsterwalde Solar Park Alemanha, ,7 Rovigo PV Power Plant Itália, ,0 Olmedilla PV Park Espanha, ,0 Strasskirchen Solar Park Alemanha, ,0 Liebrose PV Park Alemanha, ,0 Puertollano PV Park Espanha, ,0 Fonte: Prof. Roberto Zilles LSF/IEE-USP slide 18 / 51

19 SARNIA PV POWER PLANT ONTARIO/CANADÁ Sarnia PV Módulos Fotovoltaicos Área total m 2 Potência 97 MWp Geração anual 120 GWh Fator de capacidade 0,17 Fonte: Sarnia PV slide 19 / 51

20 Máquina Térmica inclui todos os tipos de máquinas em que o calor é transformado em trabalho. 1 a Lei da Termodinâmica Fonte quente TH QH Máquina QC Sorvedouro frio TC SISTEMAS TERMOSOLARES Trabalho realizado Ciclo de Carnot Lei da conservação de energia diz que: Trabalho realizado = QH-QC Portanto: Eficiência = (QH-QC) / QH (Em Kelvin) Para uma máquina ideal - Eficiência máxima= (TH-TC) /TH slide 20 / 51

21 SISTEMAS TERMOSOLARES TA Reservatório de alta temperatura TA Reservatório de alta temperatura Qa Máquina térmica TB Qb Reservatório de baixa temperatura ω Trabalho obtido Bomba de calor TB Reservatório de baixa temperatura ω Trabalho fornecido W Qa Qb Qb Tb ( Eficiência ) E 1 1 ( Tempenratura _ em _ Kelvin ) Qa Qa Qa Ta slide 21 / 51 21

22 Conversão indireta da radiação solar em eletricidade UTEs Termossolares Ciclo Rankine SISTEMAS TERMOSOLARES Nestas centrais existe uma torre receptora (caldeira com sal líquido) que recebe os raios refletidos por espelhos sempre orientados para o sol (heliostatos). 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 é utilizado para produzir vapor de água a 540ºC num gerador de vapor. Este vapor é utilizado para acionar as turbinas da central. slide 22 / 51

23 Conversão indireta da radiação solar em eletricidade UTEs Termossolares Ciclo Rankine SISTEMAS TERMOSOLARES UTE BARSTOW Heliostatos 1818 Área - heliostato 39,9 m 2 Área total m 2 Potência Altura da torre 42 MW 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 slide 23 / 51

24 Conversão indireta da radiação solar em eletricidade UTEs Termossolares Parabólicas Ciclo Rankine SISTEMAS TERMOSOLARES Nestas centrais não existe uma torre solar concentrada, mas, espelhos parabólicos (CSP) com dutos de sal líquido que recebem o calor solar e, através de conexões série-paralelo, levam o sal líquido para o Ciclo de Rankine. Fonte: CSP Solana slide 24 / 51

25 Conversão indireta da radiação solar em eletricidade UTE Termossolar Parabólica CSP Solana Arizona/EUA SISTEMAS TERMOSOLARES UTE CSP Solana Concentradores parabólicos Área - concentrador 99,75 m 2 Área total da planta 7,72 km 2 Potência 280 MW Energia Fator de capacidade (com armazenamento de energia) 1,2 TWh 0,49 Fonte: CSP Solana slide 25 / 51

26 Sistema Distribuído slide 26 / 51

27 Aplicação da Energia solar como Energia Térmica Aplicação de baixa temperatura Atualmente, nos setores comercial e residencial, o aquecimento solar é basicamente utilizado em piscinas e para obtenção de água quente doméstica. Os dois tipos principais são: Sistemas de circulação natural termossifão Sistemas de circulação forçada com bombeamento slide 27 / 51

28 Instalação emtermossifão Circulação natural em função da diferença de densidade da água mento-agua-por-energia-solar.htm acesso 20/01/2013 slide 28 / 51

29 Instalação básica em circulação forçada slide 29 / 51

30 Aquecimento auxiliar com chuveiro elétrico Aquecimento auxiliar com aquecedor a gás de passagem slide 30 / 51

31 PEA 3110 Energia, Meio Ambiente e Sustentabilidade Fontes Renováveis de Energia Energia Eólica slide 31 / 51

32 Produção de Energia Elétrica Geração Eólica Parque Eólico Osório Osório/RS Foto: Carlos Vieira slide 32 / 51

33 Detalhes de um aerogerador de eixo horizontal Pás de rotor Caixa de multiplicação Freio do rotor Caixa de interruptores elétricos e de controle Gerador Eixo do rotor com mecanismo de controle do ângulo das pás Sistema de orientação Torre Conexão à rede Seção de uma turbina eólica típica conectada à rede. Pára-raios Anemômetrodireção Tomada de ar Sistema de freio Dissipador Cobertura G. de serviço Eixo principal Acoplamento do Eixo principal Carenagem Sistema de refrigeração Luminária Painel de controle Gerador Acoplamento Multiplicador Mancal Motor de orientação slide 33 / 51

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35 Classificação dos Aerogeradores Tamanho Pequeno Médio Grande Potência Instalada Até 80 kw De 81 a 500 kw > 500 kw Pequeno porte 10 kw 3 kw 50 kw Grande porte 400 W slide 35 / 51

36 Aplicações Alimentação de cargas isoladas Centrais de grande porte conectadas à rede instaladas em terra Centrais de grande porte conectadas à rede instaladas no mar 10 kw 50 kw 3 kw 400 W slide 36 / 51

37 Características da tecnologia eólica Tecnologia altamente sofisticada Grandes desenvolvimentos na área de controle, aerodinâmica e materiais Alto crescimento no tamanho das pás e potência da turbina Materiais mais resistentes e menos ruidosos Aplicações em terra e no mar Significativa redução nos custos com políticas de incentivo Mais de oito fábricas instaladas no Brasil nos últimos 04 anos slide 37 / 51

38 POTÊNCIA EÓLICA(Pv): Fundamentos: Potência Eólica 1 P Av 3 Joules/s = Watts 2 Potência por unidade de área: P A A Watts / m D V Potência mecânica = Potência Elétrica = ρ = Densidade do ar (1.225kg/m3) D = diâmetro do rotor Pm Pel 1 Av 2 P m Cp = Coeficiente de Potência = eficiência dos diversos componentes do sistema 3 Cp slide 38 / 51

39 Potência por unidade de área = Densidade de potência Watts/m 2 P 1 2 A v 3 V = 8m/s P A (Watts) 3 (Watts/m2) 1 2 V = 1,2256 kg/m3 P = 314W / m2 V = 16 m/s P= 2509 W / m2 8 vezes mais potência 314Watts = 5 lâmpadas de 60 Watts Curva da potência do vento em função da velocidade slide 39 / 51

40 Eficiência de Aerogeradores Energia Cinética Energia Mecânica Energia Elétrica Rotor 45%-52% (max. é 59.3%, Betz limit) Caixa de Engrenagens 95% 97% 40% 48% eficiência total hoje 67%-81% do máximo teórico (Betz limit) Gerador + Conversor 90% 95% slide 40 / 51

41 Evolução Comercial das Turbinas de Grande Porte Fonte: DEWI slide 41 / 51

42 Velocidade Média Anual Atlas do Potencial Eólico Brasileiro Fonte: Dutra, 2001 slide 42 / 51

43 Fator de capacidade FC Eg( ano) Pn 8760horas O FC representa um importante critério de decisão de escolha da viabilidade técnica e econômica da usina. É um indicador da produção energética e conseqüentemente do potencial de instalação de turbinas eólicas em um local. Diferentes locais (estações) usando o mesmo modelo de turbina apresenta diferentes fatores de capacidade, função da velocidade média dos ventos. Valores típicos para locais que possuem um bom regime de vento: 35%< FC < 45% slide 43 / 51

44 Capacidade Instalada Mundo (GWEC GW 2012 R) Fonte: GWEC slide 44 / 51

45 Capacidade Instalada Por Região (GWEC GW 2012 R) Fonte: GWEC slide 45 / 51

46 Usinas Eólicas e Respectivas Potências Fiscalizadas (15 maiores) Usina Potência (kw) Município Praia Formosa Camocim - CE Alegria II Guamaré - RN Parque Eólico Elebrás Cidreira Tramandaí - RS Canoa Quebrada Aracati - CE Eólica Icaraizinho Amontada - CE Alegria I Guamaré - RN Parque Eólico de Osório Osório - RS Parque Eólico Sangradouro Osório - RS Parque Eólico dos Índios Osório - RS Bons Ventos Aracati - CE RN 15 - Rio do Fogo Rio do Fogo - RN Volta do Rio Acaraú - CE Dunas de Paracuru Paracuru - CE Total = 111 usinas com potência total = MW Fonte: BIG/ANEEL slide 46 / 51

47 Rio do Fogo RGN 49,3 MW Algumas centrais em operação Millenium Paraíba 10,4 MW Osório Rio Grande do Sul - 50 MW slide 47 / 51