Geração de Energia Sistemas Fotovoltaicos

Transcrição

1 Geração de Energia Sistemas Fotovoltaicos Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 1

2 ENERGIA SOLAR A maior parte das formas de vida conhecidas no planeta é mantida pela radiação solar, direta ou indireta, atenuada pela atmosfera e pela água dos oceanos e mares. O Sol é a fonte primária de energia que sustenta a maior parte das outras fontes conhecidas, como os ventos, as ondas, a maré e os rios e, de forma menos direta a biomassa, etc. 2

3 ENERGIA SOLAR 3

4 ENERGIA SOLAR O grande atrativo no uso da energia solar é, evidentemente, o fato de ela ser inesgotável. Abundante Confiável contínua e não poluente. Sua captação ao nível do solo depende dos movimentos da Terra e das condições atmosféricas. Traduzidas em dois caráteres: periódico: dependente das estações do ano e do ciclo dia-noite Intermitente: dependente principalmente da cobertura de nuvens. 4

5 ENERGIA SOLAR O aproveitamento da energia solar é sua natural diluição ao nível da superfície terrestre, independente da influência da atmosfera. O fluxo de radiação solar numa superfície plana, perpendicular à direção dos raios solares e situada fora da atmosfera é de 1.381W/m 2 aproximadamente. Este valor é conhecido como constante solar e sofre pequenas influências da distância Terra-Sol, da atividade solar e de outros fatores menos relevantes. 5

6 ENERGIA SOLAR Radiação solar 6

7 ENERGIA SOLAR Num dia de atenuação atmosférica mínima, isto é com céu claro e ar sem poluentes, a absorção e a reflexão de energia se dão apenas pelos constituintes atmosféricos normais. Neste caso, o fluxo de radiação solar cai para algo em torno de 948 W/m 2 ao nível médio do mar. Este valor pode ser drasticamente reduzido pela presença de nuvens, chuva, gelo e poluentes em suspensão na atmosfera. Não se deve perder de vista que a energia solar total disponível ao nível médio do mar supera em muitas vezes a demanda energética atual do planeta. 7

8 ENERGIA SOLAR Num dia de atenuação atmosférica mínima, isto é com céu claro e ar sem poluentes, a absorção e a reflexão de energia se dão apenas pelos constituintes atmosféricos normais. Neste caso, o fluxo de radiação solar cai para algo em torno de 948 W/m 2 ao nível médio do mar. Este valor pode ser drasticamente reduzido pela presença de nuvens, chuva, gelo e poluentes em suspensão na atmosfera. Não se deve perder de vista que a energia solar total disponível ao nível médio do mar supera em muitas vezes a demanda energética atual do planeta. 8

9 ENERGIA SOLAR Obtenção de energia através da radiação solar direta Existem dois modos básicos de pelos quais a energia solar pode ser convertida em energia elétrica: conversão térmica e conversão fotovoltaica. 9

10 Conversão Térmica da Energia Solar Na conversão térmica, a radiação solar é absorvida numa superfície e convertida em calor, que pode ser aproveitado de diversas formas. As duas seguintes são as mais conhecidas. calor é injetado num ciclo termodinâmico a vapor e posteriormente transformado em trabalho numa turbina a vapor. O calor é diretamente utilizado para aquecer o ar, criando correntes de convecção que movimentarão uma turbina eólica. 10

11 ENERGIA SOLAR Conversão Térmica da Energia Solar Nas centrais que utilizam conversão térmica, a energia solar é captada em coletores e dirigida a receptores que contém o fluido de trabalho, geralmente água. Estas centrais podem ser classificadas, conforme o tipo de receptor, em: Centrais com receptor central; Centrais com coletor-receptor; Centrais com receptores distribuídos. 11

12 Conversão Térmica CENTRAIS COM RECEPTOR CENTRAL Os coletores são espelhos, chamados helioestatos, que rastreiam o Sol e direcionam a radiação refletida para um equipamento central, o receptor. 12

13 Conversão Térmica CENTRAIS COM RECEPTOR CENTRAL A figura ilustra o conceito através da Central Solar One, na Califórnia, EUA, com cerca de coletores focados numa torre de aproximadamente 100 m de altura. A potência instalada é de 10 MW e o fluido de trabalho é água. 13

14 Conversão Térmica CENTRAIS COM RECEPTOR CENTRAL A central Solar Two, também na Califórnia, entrou em operação em 1995 e utiliza um sal líquido como fluido de trabalho. 14

15 Conversão Térmica CENTRAIS COM COLETOR RECEPTOR Neste caso o coletor e o receptor são, como o nome indica, um mesmo elemento. O ar é aquecido pela radiação solar num coletor em formato de estufa e eleva-se, por convecção natural, saindo por uma torre vertical. O movimento do ar impulsiona uma turbina eólica convencional, localizada na seção de transição entre o coletor e a torre. 15

16 Conversão Térmica CENTRAIS COM COLETOR RECEPTOR Atualmente o único exemplo de uma central deste tipo é o projeto Australiano Solar Tower, com entrada em operação prevista para O coletor deverá ter 5 km de diâmetro, teto inclinado feito de material transparente, uma torre de concreto de 1 km de altura e deverá gerar 200 MW. O projeto prevê o uso de 32 turbinas eólicas de 6,5MW. Está prevista a construção de outras quatro centrais até 2010.Os coletores são espelhos, chamados helioestatos, que rastreiam o Sol e direcionam a radiação refletida para um equipamento central, o receptor. 16

17 Conversão Térmica CENTRAIS COM COLETOR RECEPTOR Solar Tower 17

18 Conversão Térmica CENTRAIS COM RECEPTORES DISTRIBUIDOS Nas centrais com receptores distribuídos, os coletores direcionam a radiação para um receptor próprio. Os receptores podem ser do tipo foco em ponto ou foco em linha. A figura mostra os dois tipos. 18

19 Conversão Térmica CENTRAIS COM RECEPTORES DISTRIBUIDOS Os dois coletores foco em ponto, figura esquerda, mostrados são denominados Mod1 e Mod2 e pertencem ao laboratório de testes Sandia s National Solar Thermal, localizado em Albuquerque, EUA. Ele constitui um sistema híbrido, composto por um coletor solar acoplado a um motor de ciclo Stirling. Neste caso, percebese que não só a recepção é distribuída com também o é a geração de potência. 19

20 Conversão Fotovoltaica da Energia Solar Na conversão fotovoltaica a radiação solar é diretamente convertida por materiais especiais. O efeito fotovoltaico começou a ser pesquisado em 1954 por cientistas da área espacial que buscavam uma forma eficiente de fornecer energia aos equipamentos dos satélites colocados em órbita. Desde então a energia solar fotovoltaica tem se desenvolvido de forma espetacular e se faz cada vez mais presente. 20

21 Conversão Fotovoltaica O princípio de funcionamento é simples na essência: Alguns materiais, principalmente o silício cristalino apropriadamente processado, quando expostos à luz geram eletricidade. Em uma placa várias células solares feitas sobre lâminas delgadas de silício cristalino são interconectadas apropriadamente para se obter a tensão e corrente desejadas. Ao ser exposta à luz, a placa irá produzir eletricidade em corrente contínua que pode ser usada diretamente ou armazenada em baterias para uso posterior. A quantidade de energia elétrica produzida será proporcional ao tamanho da placa e à luminosidade existente. 21

22 Conversão Fotovoltaica As células solares fotovoltaicas convencionais são obtidas através da união de duas regiões p e n de um cristal semicondutor, com condutividades distintas. Quando a luz do Sol incide sobre esses materiais semicondutores, os fótons, ao energizar os elétrons da camada n, fazem com que estes e as lacunas criadas (as quais são caracterizadas como cargas positivas) se movimentem em direções opostas gerando um campo elétrico e consequentemente uma corrente elétrica no semicondutor capaz de circular pelo circuito externo, e liberar a energia cedida pelos fótons ao criar-se os pares elétron-lacunas. 22

23 Conversão Fotovoltaica Assim, ao iluminar uma célula solar fotovoltaica que se encontra conectada em uma carga externa, como está indicado na figura, produzirá uma diferença de potencial na carga acarretando uma circulação de corrente que sai para o circuito externo pelo terminal positivo e volta para a célula pelo terminal negativo. 23

24 Conversão Fotovoltaica As células FV produzem baixas correntes e tensões e, por isso, são usualmente montadas em painéis contendo muitas unidades. Os arranjos de células contêm tipicamente 36 unidades. Os painéis são geralmente agrupados em conjuntos, formando as centrais, usadas para gerar eletricidade para domicílios, fazendas, hospitais, edificios,etc. Ainda que os painéis solares possam ser utilizados para gerar eletricidade para a malha nacional, sua aplicação mais normal é para consumidores pequenos e isolados. 24

25 Conversão Fotovoltaica A maior central FV de que se tem notícia localiza-se em Serre- Salerno, Itália, figura a seguir, com potência instalada de 3,3 MW. A central consiste de dez partes separadas, cada uma com potência de 330 KW. Cada uma das unidades inclui seu próprio conversor DC/AC e um transformador. A central entrou em operação no ano de 1990 e está conectada à rede pública. 25

26 Geração de Energia Sistemas Fotovoltáicos OPERAÇÃO ISOLADA E EM PARALELO COM A REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 26

27 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 27

28 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Todas regiões brasileiras com mais de 2200hrs de sol por ano; Nível de irradiação extremamente auto; Pior estado brasileiro fica 30% a cima da media da Alemanha. Vila Solar em Freiburg, Alemanha 28

29 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA OBJETIVO GERAL Realizar estudos para o uso do sistema fotovoltaico presando pelo meio ambiente, bem como estudar a radiação solar, e os custos para essa forma de geração. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Definição das vantagens ambientais desta forma de geração de energia. Demonstrar o sistema fotovoltaico. Levantar dados de consumo de energia. Levantar custo benefício deste instrumento de geração. 29

30 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA JUSTIFICATIVA Como a preocupação com o meio ambiente vem crescendo cada dia mais, e a cobrança não é apenas dos governos, mas também dos consumidores, empresas estão investindo cada vez mais em energias sustentáveis para estar complementando o sistema enérgico. 30

31 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS Silício Monocristalina silício policristalina (Fonte: Bosch. Disponível em: < 31

32 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA CÉLULA, MÓDULO E PAINEL (Fonte:PATEL, M. R. Wind and solar power systems. Boca Raton: CRC Press LLC ) 32

33 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA MÓDULO FOTOVOLTAICO de silício monocristalina de silício policristalina 33

34 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA MÁXIMO DE POTÊNCIA (Fonte: BRASIL. Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito(CRESESB). Disponível em: < ) 34

35 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA OUTROS COMPONENTES Baterias; Reguladores ou controladores de tensão; Inversores; Choppers; Equipamentos de suporte. 35

36 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA OUTROS COMPONENTES Baterias; Reguladores ou controladores de tensão; Inversores; Choppers; Equipamentos de suporte. 36

37 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA RADIAÇÃO SOLAR 37

38 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA CUSTOS 38

39 UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA CONCLUSÕES Geração de energia promissora; Com diversas linhas de pesquisas; Não competitiva ainda em relação as formas de energias convencionais; Viável em locais remotos. 39