Recursos Energéticos e Meio Ambiente. Professor Sandro Donnini Mancini Energia Solar. Sorocaba, Maio de 2015

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Lorenzo Mota Santarém
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1 Campus Experimental de Sorocaba Recursos Energéticos e Meio Ambiente Professor Sandro Donnini Mancini 13 - Energia Solar Sorocaba, Maio de 2015 ENERGIA SOLAR Sol: imenso reator de fusão nuclear onde converte-se, por segundo, cerca de kg de hidrogênio em hélio. No total são produzidos 3, W, ou seja, a mesma energia de bombas de Hiroshima (fissão) por segundo. Outras propriedades do sol: T interna = K Distância da Terra = km Tempo de Vida útil = 6, anos 1

10 6 kg de hidrogênio em hélio. No total são produzidos 3,8.10 26 W, ou seja, a mesma energia de 5.

2 Qual o valor da energia possível de ser consumida a partir da produção anual do sol? Em 1 segundo = 3, J Em um ano: 3, J x 3600 x 24 x 365 = 1, J Conversão: 1 Wh = 3600 J 1, J = 3, Wh O sol produz 3, TWh por ano. Toda esta energia, boa parte na forma de luz, é irradiada em todas as direções, sendo apenas uma fração direcionada à Terra (parte dela atinge outros corpos celestes). O quanto vem de energia para a Terra? Constante Solar Fluxo radiante por unidade de área da radiação solar que atinge a órbita da Terra, num plano perpendicular aos raios solares, no topo da atmosfera. Essa constante vale: 1,354 kw/m 2. 2

Toda esta energia, boa parte na forma de luz, é irradiada em todas as direções, sendo apenas uma fração direcionada à Terra (parte dela atinge outros corpos

3 Adaptado de Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 Ou seja, só metade chega à superfície. Assim, o sol irradia para cada m 2 da superfície da Terra 677 W. Qual o máximo de energia que atinge o planeta no ano? S = 4π R 2 // R = km // S = 5, m 2 Constante Solar útil = 677 W/m 2 Em 1 m 2 = 677 J em 1 segundo 2, J em um ano kwh em um ano (6 MWh) Em 5, m 2 3, TWh vezes o consumo mundial de energia (Mundo, tep ou 1, TWh) 3

Qual o máximo de energia que atinge o planeta no ano? S = 4π R 2 // R = 6.380 km // S = 5,12.

4 Esse valor 3, TWh/ano não é o total e sim máximo, pois a disponibilidade de radiação solar é função de: Condições atmosféricas (nebulosidade, umidade, etc.) Latitude Hora do Dia, Dia do Ano ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, Disponível em Acesso em 23 jan Menor valor observado: 1,89 kwh/m 2 por dia (norte da Europa) Num ano: 690 kwh Maior valor observado: 6,4 kwh/m 2 por dia (próximo ao Equador) Num ano: 2,4 MWh/m 2 Brasil: Média: ~ 5,2 kwh/m 2 por dia S = 8, km 2 = 8, m TWh por dia ou 1, TWh por ano vezes o consumo nacional ( tep = 3, TWh) 4

ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, 2003. Disponível em http://www.aneel.

Média Mínima observado: 4,5 kwh/m 2 por dia Média Máxima observado: 6,1 kwh/m 2 por dia Apesar do potencial, há pouco aproveitamento da

5 ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, Disponível em Acesso em 23 jan Média Mínima observado: 4,5 kwh/m 2 por dia Média Máxima observado: 6,1 kwh/m 2 por dia Apesar do potencial, há pouco aproveitamento da energia solar. Por quê? Alto Custo (principalmente para eletricidade) Fonte: Atlas Nacional de Energia Elétrica, 3 a ed, 2008 Disponível em Baixa Eficiência (para aquecimento e eletricidade) ~ 25% Dias nublados // Poluição 5

6 Usos Possíveis da Energia Solar 1) Térmico: aquecimento de água e ambientes Dependente da necessidade e da insolação, normalmente inversas Israel, Espanha, China, Índia, Coréia e Alemanha: 30-70% do aquecimento de água deve ser solar 2) Elétrico: Termelétricas (heliotérmico) Células Fotovoltaicas 7,8 GW instalados no mundo em 2007 (12 GW em 2012) Alemanha, Japão, EUA e Espanha 84% (2007) APROVEITAMENTO TÉRMICO Aquecimento de ar, água, etc. Indústrias Calderarias (raríssimas aplicações) Sistemas de Secagem Residências - Substituição a chuveiros elétricos e a gás Aquecimento de ambientes (passivo e ativo) Aquecimento de piscinas Fogão solar 6

no mundo em 2007 (12 GW em 2012) Alemanha, Japão, EUA e Espanha 84% (2007) APROVEITAMENTO TÉRMICO Aquecimento de ar, água, etc.

7 Aquecimento de água para banho: Temperatura do banho: quente (>32 o C) morno (18-32 o C) frio (10-18 o C) Dado um chuveiro de 4000W, calcule a quantidade de água necessária para um banho quente, num dia de verão e num dia de inverno. c = 4 J/g. o C ; d água = 1 kg/l ; T inicial da água no verão = 25 o C; T inicial da água no inverno = 10 o C; T final banho quente = 30 o C E se diminuísse a potência (mudasse a chave do chuveiro)? E para conseguir 4000W com o sol? Aquecimento de Água COLETORES SOLARES ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, Disponível em Acesso em 23 jan 2004 Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 * Tubos com água em contato direto com a face que absorve radiação. Por condução, a água aquece e se armazena no boiler até atingir a temperatura desejada (há uma resistência elétrica como garantia). Um controle eletrônico de temperatura regula a saída de água do boiler para o chuveiro. *Cada coletor tem aproximadamente 2m 2 e normalmente se utiliza um coletor para cada 100 L de água quente desejada. 7

o C ; d água = 1 kg/l ; T inicial da água no verão = 25 o C; T inicial da água no inverno = 10 o C; T final banho quente = 30 o C E se diminuísse a potência (mudasse a chave do chuveiro)?

8 Belo Horizonte MG 804 m 2 de coletores L de água Motel Dallas 92 suítes Brasil 140 fabricantes de coletores solares ( m 2 de coletores) 2001; Caixa Econômica Federal financia. Aquecimento de Água CONCENTRADORES SOLARES Formato parabólico concentra luz numa superfície menor (foco). Otimizado, pode atingir altas temperaturas e funcionar como termelétrica, cuja otimização depende de dispositivos de orientação. Num fogão solar, uma chapa fica no foco. Termelétrica Deserto de Mojave, Califórnia, EUA Inaugurada no final dos anos 80 mista com gás natural (10%). Óleo sintético é aquecido e troca calor com água espelhos 6,5 km 2 Potência: 354 MWt 75 MWe ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, Disponível em Acesso em 23 jan

Otimizado, pode atingir altas temperaturas e funcionar como termelétrica, cuja otimização depende de dispositivos de orientação. Num fogão solar, uma chapa fica no foco.

9 Fevereiro de 2014 Maior planta solar do mundo Capacidade: 342 MW Área: 12 km 2 Deserto de Mojave, EUA 347 mil espelhos que focalizam luz para torre que contém água Pode abastecer 140 mil casas Dessalinização de água Fogões Solares Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson,

abastecer 140 mil casas Dessalinização de água Fogões Solares Hinrichs, R.A.

10 Aquecimento Ativo e Passivo de Ambientes Hinrichs, R.A. e Kleinbach, M. Energia e Meio Ambiente. Trad. F.M. Vichi e L.F.Mello. São Paulo, Ed. Thomson, 2003 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Sistemas privados na Alemanha para pequenas propriedades. É o tipo de suprimento de energia que mais cresce no mundo Fonte: Atlas Nacional de Energia Elétrica, 3 a ed, 2008 Disponível em 10

Thomson, 2003 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Sistemas privados na Alemanha para pequenas propriedades.

Fonte: Atlas Nacional de Energia Elétrica, 3 a ed, 2008 Disponível em www.aneel.gov.

11 Fonte: Atlas Nacional de Energia Elétrica, 3 a ed, 2008 Disponível em Fonte: Atlas Nacional de Energia Elétrica, 3 a ed, 2008 Disponível em 11

12 Fonte: Atlas Nacional de Energia Elétrica, 3 a ed, 2008 Disponível em Alternativa para o suprimento de eletricidade em comunidades rurais e/ou isoladas do N/NE. Muitos projetos pequenos de: Bombeamento de água (abastecimento doméstico, irrigação e psicultura); Iluminação pública; Sistemas de uso coletivo (eletrificação de escolas, postos de saúde e centros comunitários); Atendimento domiciliar; Estações de Telefonia e monitoramento remoto; Eletrificação de cercas; Produção de gelo; Dessalinização de água etc. 12

Muitos projetos pequenos de: Bombeamento de água (abastecimento doméstico, irrigação e psicultura); Iluminação pública; Sistemas de

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétria, 06/04/2015 http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/operacaocapacidadebrasil.cfm O Brasil possui 3.

13 ANEEL Agência Nacional de Energia Elétria, 06/04/ O Brasil possui empreendimentos em operação, totalizando 143,5 GW de potência instalada. São 317 usinas solares fotovoltaicas, com um total de 15 MW instalados, ou 0,01% do total Resolução ANEEL 482/2012 Estabelece as condições gerais para o acesso de microgeração (< 100 kw) e minigeração (de 100 kw a 1 MW) distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica Exemplo: Sistema de 7,6 kw numa chácara em São Carlos 13

São 317 usinas solares fotovoltaicas, com um total de 15 MW instalados, ou 0,01% do total Resolução ANEEL 482/2012 Estabelece as condições gerais para o acesso de microgeração (<

14 Capim Grosso-BA Bombeia até 12 m 3 de água por dia a uma distância de 350m do açude Mirante do Paranapanema-SP Bombeia água até o reservatório de L e altura manométrica de 86m, que abastece 43 famílias. Potência nominal de 1,47 kwp ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, Disponível em Acesso em 23 jan 2004 ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, Disponível em Acesso em 23 jan

Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, 2003. Disponível em http://www.aneel.gov.br.

15 Vale do Ribeira-SP Núcleo Perequê abastece laboratórios de pesquisa, tanques de cultivo para a fauna marinha, auditório, alojamento, refeitório, cozinha e salas de estudo. Amazonas Sistema fotovoltaico para atendimento domiciliar. Programa Nacional de Eletrificação Luz no Campo ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, Disponível em Acesso em 23 jan 2004 Nova Mamoré-RO Diesel 162 kw Solar 320 painéis de 64 W 20,5 kw 300 m 2, inclinação 10 o ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1 a Edição. Brasília, Disponível em Acesso em 23 jan

16 Solar Tauá, Ceará A primeira solar interligada à rede no país; Início da operação comercial: agosto de 2011; painéis fotovoltaicos; 12 mil m 2 ; investimento de R$ 10 milhões ; Potência de 1 MW; Licença para ampliação até 50 MW. Tanquinho, CPFL, Campinas Inaugurada em novembro de 2012; investimento de R$ 13,8 milhões ; Potência de 1,1 MWp Previsão de geração 1,6 GWh/ano 657 clientes a 200 kwh/mês; s/cpfl-energia-investe-r-138-milhoesna-usina-solar-tanquinho_ html 16

br/pt/nossos-negocios/geracao-de-energia/usinas-emoperacao/solar-taua/paginas/visao-geral.

17 Cidade Azul, Tubarão-SC Inaugurada em agosto de 2014; investimento de R$ 30 milhões ; painéis inclinados a 15 º em 10 hectares; Potência de 3 MW, sendo possível abastecer residências; or-usina-solar-do-pais-atinge- 85-de-geracao-em-um-mesde-operacao.html 4/As-10-maiores-usinas-solares redacao/2014/08/29/usina-queproduz-25-da-energia-solar-dopais-comeca-operacao-comercial.htm 17

com/sc/santacatarina/noticia/2014/09/mai or-usina-solar-do-pais-atinge- 85-de-geracao-em-um-mesde-operacao.html http://sustentabilidade.allianz.com.br/energia/?

18 hotovoltaic_power_plant Tendência aumentar a eficiência e resolver o problema de só produz quando tem sol -plant/en 18

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