A Energia solar. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 1

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1 A Energia solar Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 1

2 Forma de aproveitamento 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 - para geração de potência mecânica ou elétrica ou ser convertida em energia elétrica, por meio de efeitos sobre determinados materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico e o fotovoltaico. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 2

3 Formas de aproveitamento 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. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 3

4 Radiação Solar A intensidade de radiação solar influencia o aproveitamento desse tipo de energia e depende de fatores como: Latitude Hora e dia do ano Condições atmosféricas (nebulosidade, umidade relativa do ar, etc.) Essa dependência e variação é um dos aspectos característicos de muitas fontes de energia alternativa e causa um aumento do custo de produção de energia. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 4

5 Radiação Solar Estações do ano e movimento da Terra em torno do Sol que influencia a duração do dia e a inclinação do sol em relação ao horizonte. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 5

6 Radiação Solar 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. 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. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 6

7 Radiação Solar O mapa ao lado indica a estimativa de radiação solar global diária nas diversas regiões do Brasil com base em imagens de satélites.!! verificar definição de radiação solar global média!! Fonte: ATLAS de Irradiação Solar no Brasil Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 7

8 Formas de aproveitamento da energia solar O aproveitamento da energia solar pode ser dividido em dois tipos básicos: Aproveitamentos térmicos Coletor solar Concentrador solar Conversão direta da energia solar em energia elétrica Efeito fotovoltaico Efeito termoelétrico Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 8

9 Coletor solar Esquema básico de um coletor solar Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 9

10 Coletor solar Esquema básico de um coletor solar Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 10

11 Coletor solar Funcionamento No funcionamento de um coletor solar estão envolvidos os fenômenos de radiação, convecção e condução térmica. - A radiação solar incide sobre o coletor, O coletor é formado por um material absorsor de radiação solar (PVC ou metal pintado de preto, por exemplo) em contato com a água circulante. Pode haver uma superfície de vidro no lado exposto ao Sol, para aumentar a eficiência pelo efeito estufa, pois o vidro deixa passar a luz visível vinda do Sol, esta é transformada em infravermelho pela radiação do coletor que é bloqueada pelo vidro, refletindo assim essa energia novamente para o coletor Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 11

12 Coletor solar Assim, a radiação solar direta (ou direta mais refletida pelo vidro) aquece a superfície do coletor que está em contato com a água, e esta é aquecida por condução. Com isso, essa água torna-se mais leve (menos densa) e tende a se acumular na parte superior do coletor e por intermédio da tubulação nº 1 (saída de água quente), ela é conduzida ao reservatório, ficando armazenada na parte superior do mesmo. A água que é aquecida no coletor é substituída por água fria, mais pesada (mais densa), que sai da parte inferior do reservatório (através da tubulação nº 2) e entra pela parte de baixo do coletor. Novamente ocorre troca de calor entre o fundo do nosso coletor e a água, tornandose mais leve e dessa maneira ela se movimenta, acumulando-se na parte superior do reservatório. Esse ciclo, que chamaremos de ciclo convectivo, repete-se continuamente. Os coletores residenciais comerciais geralmente empregam trocadores de calor na forma de tubos, fixados em uma placa absorvedora de radiação, com o mesmo princípio básico aqui descrito Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 12

13 Concentrador solar Concentradores solares são sistemas que captam radiação solar em áreas relativamente grandes e através de sistemas de lentes óticas concentram essa radiação em pequenas áreas, permitindo assim atingir temperaturas elevadas no fluído de aquecimento (geralmente água) A água aquecida a altas temperaturas forma vapor que pode gerar energia elétrica através de turbinas. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 13

14 Concentrador solar Sistemas concentradores solares podem atingir eficiência de 14 a 22% da energia solar incidente Como trabalham com a focalização da energia solar, precisam de um sistema de posicionamento automático das lentes, o que representa mais um custo para o sistema Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 14

15 Concentrador solar Sistema concentrador de energia solar na Califórnia, Estados Unidos com capacidade de até 80 MW. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 15

16 Sistema fotovoltaico 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% Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 16

17 Sistema fotovoltaico 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 Contudo, nos últimos anos tem-se observado redução nos custos de capital. Os valores estão situados na faixa de US$ 200 a US$ 300 por MWh e entre US$ 3 e US$ 7 mil por kw instalado Em virtude disso a maioria dos sistemas fotovoltaicos atualmente instalados são residenciais. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 17

18 Sistema fotovoltaico Esquema de sistema fotovoltaico domiciliar Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 18

19 Perdas em um sistema fotovoltaico Energia perdida pela massa atmosférica e pela nebulosidade Energia disponibilizada pelo sol acima da atmosfera Energia perdida pelo módulo de conversão, posicionamento em relação ao Sol e pelo controlador de carregamento Energia perdida pelo sistema de armazenamento (baterias) Energia perdida pelo inversor Energia entregue a carga Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 19

20 Energia solar no Brasil Atualmente há vários projetos, em curso ou em operação, para o aproveitamento da energia solar no Brasil, particularmente por meio de sistemas fotovoltaicos de geração de eletricidade, visando ao atendimento de comunidades isoladas da rede de energia elétrica e ao desenvolvimento regional. Além do apoio técnico, científico e financeiro recebido de diversos órgãos e instituições brasileiras (MME, Eletrobrás/CEPEL e universidades, entre outros), esses projetos têm tido o suporte de organismos internacionais, particularmente da Agência Alemã de Cooperação Técnica GTZ e do Laboratório de Energia Renovável dos Estados Unidos (National Renewable Energy Laboratory) NREL/DOE. Também a área de aproveitamento da energia solar para aquecimento de água tem adquirido importância nas regiões Sul e Sudeste do País, onde uma parcela expressiva do consumo de energia elétrica é destinada a esse fim, principalmente no setor residencial. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 20

21 Energia solar no Brasil Aquecimento de água Segundo informações da Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado,Ventilação e Aquecimento (ABRAVA, 2001), existiam até recentemente cerca de coletores solares residenciais instalados no Brasil Somente com aquecimento doméstico de água para banho, são gastos anualmente bilhões de kwh de energia elétrica(9), os quais poderiam ser supridos com energia solar, com enormes vantagens socioeconômicas e ambientais. Além disso, toda essa energia costuma ser consumida em horas específicas do dia, o que gera uma sobrecarga no sistema elétrico. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 21

22 Energia solar no Brasil Aquecimento de água Segundo informações da Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado,Ventilação e Aquecimento (ABRAVA, 2001), existiam até recentemente cerca de coletores solares residenciais instalados no Brasil Somente com aquecimento doméstico de água para banho, são gastos anualmente bilhões de kwh de energia elétrica(9), os quais poderiam ser supridos com energia solar, com enormes vantagens socioeconômicas e ambientais. Além disso, toda essa energia costuma ser consumida em horas específicas do dia, o que gera uma sobrecarga no sistema elétrico. Fontes alternativas de energia - aproveitamento da energia solar 22