Energia Solar: Tecnologias e Radiação Solar

Centrais solares fotovoltaicas e termossolares Prof Silvana J S Diniz 221 1 Energia solar É um termo que se refere à energia proveniente da luz e do calor do Sol Utiliza diferentes tecnologias em constante evolução tais como O aquecimento solar A energia solar fotovoltaica A energia heliotérmica E a fotossíntese artificial 2 Radiação solar Também chamada de energia total incidente sobre a superfície terrestre disponível depende Das condições atmosféricas nebulosidade umidade relativa do ar etc Da latitude local E da posição no tempo hora do dia e dia do ano 3 Radiação solar Somente parte da radiação solar atinge a superfícieterrestre devido à reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera Estimase que a energia solar incidente sobre a superfície terrestre seja da ordem de 10 mil vezes o consumo energético mundial CRESESB 2000 4 Radiacao solar Radiação solar O Brasil está localizado relativamente próximo ao Equador Não se observam grandes variações na duração solar do dia A maioria da população brasileira e das atividades sócio econômicas do País se concentra em regiões mais distantes do Equador Em Porto Alegre capital brasileira mais meridional cerca de 300 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 dedezembro respectivamente 6 Energia solar Aquecimento O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores ou concentradores solares Os coletores solares são mais usados em aplicações residenciais e comerciais hotéis restaurantes clubes hospitais etc para o aquecimento de água higiene pessoal e lavagem de utensílios e ambientes 7 Energia Solar Energia elétrica A conversão direta da energia solar em energia elétrica ocorre pelos efeitos da radiação calor e luz sobre determinados materiais particularmente os semicondutores 8 O efeito fotoelétrico Caracterizase pela conversão dos fótons contidos na luz solar são em energia elétrica por meio do uso de células solares O efeito termoelétrico Caracterizase pelo surgimento de uma diferença de potencial provocada pela junção de dois metais sob radiação incidente em condições específicas Efeito fotovoltaico O processo de obtenção de energia elétrica diretamente da radiação solar é denominado de efeito fotovoltaico O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel que verificou uma pequena diferença de potencial em placas metálicas de platina ou prata mergulhadas num eletrólito quando expostas à luz BECQUEREL 1839 9 Célula solar 1877 dois inventores norte americanos W G Adams e R E Day utilizaram as propriedades fotocondutoras do selênio para desenvolver o primeiro dispositivo sólido de produção de eletricidade por exposição à luz ou seja a primeira célula solar ADAMS et al 1877 10 Energia fotovoltaíca Inicialmente a aplicação da energia fotovoltaica era puramente em sistemas espaciais No fim da década de 50 satélites como o norte americano Vanguard e o russo Sputnik foram lançados ao espaço com módulos FV acoplados Na época tinhamse células com eficiência máxima de 6 cuja fabricação era baseada na tecnologia de junção pn 11 Aplicações iniciais Em 1985 células de silício foram experimentadas como fonte de alimentação de uma central telefônica local em Americus na Geórgia Estados Unidos da América As aplicações terrestres para a energia fotovoltaica no entanto só foram amplamente difundidas na década de 70 impulsionadas pela crise energética energética da época WILLEKE 2004 12 Na década de 80 Houve redução de custos de fabricação Utilização de novos materiais O preço da energia solar reduziu cerca de 10 vezes As aplicações terrestres tornaramse competitivas Inicialmente a utilização foi em localidades afastadas para alimentação de dispositivos de telecomunicação ou coleta de dados Em seguida vieram As aplicações para fornecimento de energia em localidades remotas Para bombeamento dágua E sistemas de irrigação 13 Aplicações década de 80 Aplicações década de 90 Acelerouse o desenvolvimento da indústria fotovoltaica na década de 90 Objetivou a utilização em massa da energia solar como opção energética Surgiram inúmeros programas mundiais para demonstração da viabilidade técnicacomercial da energia solar fotovoltaica em projetos de eletrificação rural em países em desenvolvimento 14 Limitações e desenvolvimento Ao longo dos anos a baixa eficiência das células solares consistiuse na limitação da tecnologia fotovoltaica para tornála viável técnica e comercialmente Porém atualmente grandes avanços têm sido obtidos no desenvolvimento de células contatos localizados de forma a promover baixa resistência série superfícies antireflectivas armadilhas óticas células bifaciais células com multijunção para melhor aproveitamento do espectro solar entre outros 15 Célula fotovoltaica Células fotovoltaicas São fabricadas na sua grande maioria usando o silício Si Podem ser constituídas de cristais monocristalinos policristalinos ou de silício amorfo Existem também células de outros materiais tais como Germânio Ge Arseneto de gálio GaAs Arseneto de alumínio AlAs Arseneto de gálio e alumínio Ga1xAlxAs Arseneto de gálio e índio GaInAs Sulfeto de cádmio CdS Sulfeto de cobre Cu2S Dentre outros Também podem ser fabricadas células provenientes de heterojunções dos materiais acima citados 17 Células de silício As mais utilizadas são as monocristalinas que em geral apresentam as maiores eficiências As fotocélulas convencionais atingem uma eficiência de até 15 podendo chegar em 20 Existem células mais eficientes desenvolvidas em centros de pesquisa e algumas até disponíveis comercialmente 18 Comparação entre células fotovoltaicas 19 Fonte Células de multijunção A técnica de multijunção possibilita células mais eficientes A técnica é usar duas ou mais camadas de materiais com espaçamento entre as bandas faixa de energia entre a banda de condução e de valência do material diferentes O material que tem espaçamento maior entre as bandas fica na superfície absorvendo os fótons de alta energia enquanto permite que os fótons de energia mais baixa sejam absorvidos pelo material logo abaixo que tem espaçamento entre as bandas menor 20 Células de multijunção O uso de células de multijunção com elevadas concentrações parece ser a tendência mundial para solucionar a questão da baixa eficiência da energia FV As pesquisas com células de multijunção iniciaram nos anos 80 Em 1994 o Laboratório Nacional de Energia Renovável NREL DOE quebrou a barreira dos 30 de eficiência utilizando células de arseneto de gálio como elemento base ou substrato SLADE et al 2005 É importante notar o avanço desproporcional das células de multijunção em relação às outras Atualmente é possível encontrar células de multijunção com eficiência em torno de 50 21 Células de multijunção Cientistas do Laboratório de Energias Renováveis do Estados Unidos propuseram uma nova estrutura de célula solar que segundo seus primeiros testes atinge uma eficiência de até 50 o que é mais do que o dobro das melhores células fotovoltaicas disponíveis comercialmente A célula está sendo batizada de célula solar de alta eficiência de célula solar metamórfica de tripla junção invertida 22 Stephanie Essig e seus colegas criaram células solares em série com 328 de eficiência para duas junções e 359 para três junções Geração solar fotovoltaica É a conversão de radiação solar em eletricidade por meio de painéis feitos de células de silício 23 COMO FUNCIONA Os painéis solares captam a radiação do sol e usam os fótons da luz para gerar eletricidade Essa eletricidade que está em corrente contínua passa por inversores e é convertida em corrente alternada com as características da rede elétrica Depois de passar pelo Inversor a eletricidade solar pode ser usada para alimentar aparelhos elétricos da casa Se nem toda a eletricidade for consumida o excedente é lançado na rede e transformado em créditos À noite ou em períodos do ano em que a geração de energia solar é menor o consumidor pode puxar energia da rede e gastar esses créditos httpswwwyoutubecomwatchvVH5G9noaTk Vídeo Funcionamento da geração fotovoltaica Geração de energia por painel solar O efeito fotovoltaico decorre da excitação dos elétrons de alguns materiais na presença da luz solar ou outras formas apropriadas de energia O silício destacase como o material mais adequado para a conversão da radiação solar em energia elétrica 24 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 Módulos fotovoltaicos Devidos à baixa tensão e corrente de saída em uma célula fotovoltaica elas são agrupadas formandose módulos para aumentar a potência gerada As características típicas das células são Corrente máxima por volta de 3A E tensão em torno de 07V O arranjo das células nos módulos podem ser feito conectandoas em série ou paralelo 25 Paralelo Este arranjo não é utilizado salvo em condições muito especiais 26 Módulos fotovoltaicos Módulos Fotovoltaicos Série É a conexão mais comum de células fotovoltaicas em módulos Consistese em agrupar o maior número de células em série até que a soma da tensão de cada célula chegue a 12V Isso possibilita carregar acumuladores baterias que também funcionam na faixa de 12V Caso uma célula dentro de um módulo por algum motivo esteja encoberta a potência de saída do módulo cairá drasticamente o que comprometerá o funcionamento do módulo 27 Diodo de bloqueio proteção Para evitar que uma corrente inversa flua pelas células do módulo diminuindose sua eficiência usase um diodo de bloqueio impedindo assim correntes reversas que podem ocorrer caso liguem o módulo diretamente em um acumulador ou bateria por exemplo 28 Diodo evita corrente reversa nos módulos Módulos Fotovoltaicos As principais características elétricas dos módulos fotovoltaicos são as seguintes Voltagem de Circuito Aberto Voc Corrente de Curto Circuito Isc Potência Máxima Pm Voltagem de Potência Máxima Vmp Corrente de Potência Máxima Imp 29 Módulos fotovoltaícos Componentes 30 Sistemas interligados à Rede on grid Utilizam grande quantidade de painéis fotovoltaicos Não utilizam armazenamento de energia pois toda a geração é entregue diretamente à rede Representam uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte ao qual estão conectados Todo o arranjo é conectado à rede através de inversores Estes inversores devem satisfazer às exigências de qualidade e segurança para que a rede não seja afetada 31 Parques brasileiros Usina solar São Gonçalo PI 475 MW à 864 MW Usina solar Pirapora MG 321 MW Usina solar Nova Olinda PI 292 MW Parque solar Ituverava BA 292 MW Complexo solar Lapa BA 168 MW Central Fotovoltaica Juazeiro Solar BA 156 MW Usina solar Guaimbê SP 150 MW Usina solar Apodi CE 132 MW Parque solar Paracatu MG 132 MW Usina solar de Tauá CE 1 MW 32 Início das operações 13012020 Usina solar Pirapora MG São Gonçalo do Gurguéia no Piauí 33 Vantagens e Desvantagens A energia solar apresenta diversas vantagens Ao contrário dos combustíveis fósseis o processo de geração de eletricidade a partir de painéis solares não emite dióxido de enxofre óxidos de nitrogênio e dióxido de carbono Esses poluentes com efeitos nocivos à saúde humana contribuem para o aquecimento global Além disso o Brasil recebe grandes quantidades de radiação solar já que está localizado próximo à linha do Equador Assim ele apresenta alto potencial para a geração de eletricidade a partir dessa fonte de energia Por outro lado a instalação de painéis solares requer grandes espaços Dessa maneira é importante que se faça a análise do local mais apropriado para a implantação uma vez que haverá supressão da vegetação Além disso outro ponto a ser considerado diz respeito ao impacto ambiental causado pela matéria prima utilizada para compor as células fotovoltaicas o silício A mineração do silício causa diversos impactos ambientais como poluição do solo e da água Também é imprescindível que sejam proporcionadas boas condições ocupacionais aos trabalhadores a fim de evitar acidentes de trabalho e desenvolvimento de doenças ocupacionais A Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer Iarc aponta em relatório que a sílica cristalina é cancerígena podendo provocar câncer de pulmão ao ser cronicamente inalada Geração termossolar Também conhecida como geração heliotérmica consiste na geração de energia elétrica a partir do calor proveniente da radiação solar Uma central termossolar funciona de forma semelhante a qualquer termelétrica a vapor A produção de energia não se dá por meio de combustão prejudicial ao meio ambiente como ocorre no caso das termelétricas de óleo gás natural fissão nuclear e outras 34 Geração heliotérmica de energia O primeiro motor a vapor movido diretamente à energia solar foi desenvolvido nos EUA por John Ericsson 35 A figura mostrando um concentrador cilíndricoparabólico de John Ericsson datado do ano de 1870 Ciclo heliotérmico Ciclo heliotérmico A radiação é concentrada em forma de calor em um receptor que contém um fluido térmico que é aquecido a temperaturas que podem chegar a mais de 400ºC O fluido aquecido produz vapor mediante trocador de calor A partir daí o processo de geração de energia segue igualmente a qualquer outra central termelétrica ou seja o vapor é conduzido a uma turbina que impulsiona um gerador 37 Ciclo heliotérmico simplificado Coletores solares Para alcançar altas temperaturas é necessário concentrar a radiação solar São trocadores de calor que transformam radiação solar em calor O coletor capta a radiação solar a converte em calor e transfere esse calor para um fluido ar água ou óleo em geral Os coletores podem ser basicamente de dois tipos nãoconcentradores e concentradores 39 Tipos de concentradores solares Os tipos de concentradores mais utilizados nas centrais termossolares são de quatro tipos Linear fresnel Torre solar Disco parabólico Concentrador parabólico 40 Fresnal Torre Solar Disco parabólico Concentrador Parabólico Concentradores solares Cada tecnologia é diferente no que diz respeito ao design forma do receptor tipo de fluido de transferência de calor adequado temperatura de trabalho e formas de armazenamento IEA 2014c A concentração da radiação solar pode ser feita de forma pontual ou linear ao longo de um tubo 41 Coletor Fresnel Os coletores Fresnel têm duas variações O coletor Fresnel de lentes Consiste de um material plástico transparente de modo a concentrar os raios a um receptor O refletor linear Fresnel É formado por uma série de tiras planas lineares ou parabólicas de espelho 42 Torre central Um campo de coletores de heliostatos é composto de vários espelhos planos ou levemente côncavos capazes de rastrear o sol em dois eixos e que reflete os raios do sol na direção de um receptor central instalado no alto de uma torre sendo assim esse tipo de planta é conhecida como torre de concentração 43 Concentradores cilíndricos parabólicos Os coletores cilíndricos parabólicos são revestidos por um material refletor em formato parabólico Ao longo da linha de foco do refletor parabólico é colocado um tubo metálico preto coberto por um tubo de vidro para evitar perdas de calor denominado receptor 44 Concentrador disco parabólico É um concentrador de foco pontual O disco rastreia o sol em dois eixos e assim é capaz de apontar diretamente para o sol desde o nascer até o poente 45 Coletores solares Podem ser classificados em estacionários ou rastreadores 46 Comparação entre concentradores parabólicos e Fresnel 47 Comparação entre concentradores parabólicos e torre central 48 Principais fluidos utilizados Transferência de Calor Intervalo de Temperatura Preço Perigo Ambiental Notas Ar Ruim Bom Médio Não ÁguaVapor Bom Mediano Bom Não Sal Derretido Bom Mediano Médio Não Metal Líquido Excelente Bom Ruim Potencialmente Partícula Sólida Bom Excelente Bom Não Heliotérmica brasileira 50 Planta heliotermica experimental da Cesp junto a usina hidrelétrica de Porto Primavera na divisa de São Paulo com Mato Grosso do Sul httpsyoutubetyrbKO8gZs 51 A termossolar SOLAR ENERGY GENERATION SYSTEMS Estados Unidos 354MW SHAMS 1 Emirados Árabes 100MV SOLNOVA SOLAR POWER STATION Espanha 150MW ANDASOL SOLAR POWER STATION Espanha 150 MW EXTRESOL SOLAR POWER STATION Espanha 150MW PALMA DEL RIO SOLAR POWER STATION Espanha 100MW MARTIN NEXT GENERATION SOLAR ENERGY Estados Unidos 75 MW NEVADA SOLAR Estados Unidos 75 MW MAJADA DE TIÉTAR Espanha 50 MW PUERTO ERRADO Espanha 314 MW KURAYMAT PLANT Egito 20MW 52 Heliotérmicas mundiais 53 Vantagens e Desvantagens A principal vantagem do uso da energia heliotérmica é sem dúvida a responsabilidade ambiental Esse é um tipo de energia limpa e renovável que não gera durante seu processo emissão de gases poluentes para a atmosfera Há quem aponte os custos iniciais de implantação do sistema heliotérmico como uma desvantagem mas até esse aspecto pode ser superado afinal o prazo médio para retorno do valor investido é relativamente curto se comparado a outras alternativas 2 ou 3 anos Bibliografia utilizada Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL Atlas de Energia Elétrica do Brasil MME Ministério de Minas e Energia Atlas 2002 Empresa de Pesquisa Energética EPE disponível em httpwwwepegovbracessoainformacaoPaginasinstitucionalaspx Acesso em 14 jul 2015 Atlas de Energia Elétrica do Brasil 3ª edição ANEEL Brancalião N F S Sistemas heliotérmicos recusrso solar tecnologia e infraestrutura UNB 2015 httpsbdmunbbrbitstream104831356212015NathanFSBrancaliaopdf Acesso 01 abr 2022 Especial Energia Heliotérmica uma outra forma de energia solar httpsenergiainteligenteufjfcombrespecialespecialenergiaheliotermicaumaoutraformade energiasolar Acesso 01 abr 2022 Inovação Tecnológica httpswwwinovacaotecnologicacombrnoticiasnoticiaphpartigocelulassolaresmultijuncao batemrecordeseficienciaid010115170831YlQFVS5QUs Acesso em 10 abr 2022 54 Um arranhacéu que derrete carros 55 Sim você leu certo O Walkie Talkie localizado em Londres ganhou as manchetes quando derreteu um Jaguar que estava estacionado em frente a ele devido ao reflexo do sol Custou mais de 1000 dólares para consertar o Jaguar mas isso não foi o fim dos danos causados pelo brilho do prédio As empresas vizinhas disseram que as janelas realmente racharam com o calor o que forçou o arranhacéu de 250 milhões de dólares a gastar uma quantia não anunciada para instalar um enorme guardasol em seu lado voltado para o sul Em uma entrevista à BBC o proprietário do carro o Sr Lindsay falou sobre os danos em seu carro Ele disse que o distintivo o espelho lateral e os painéis do Jaguar foram terrivelmente derretidos Você jamais pode acreditar que algo assim aconteceria comentou