Conceitos básicos - Radiação solar

ENG1116 – Tópicos especiais
Energia solar
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Ementa
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Conquistas e desafios da energia solar
Conceitos básicos
Radiação solar
Física das células solares
Circuitos elétricos
Célula solar
Componentes de um sistema fotovoltaico
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Dimensionado de sistemas fotovoltaicos
Outros tipos de células solares
Otimização da eficiência
Conversão de energia solar via orgânica
Medidas e caracterização
Utilização de simuladores para células solares
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Conceitos básicos
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Onda
o
É uma perturbação oscilante de alguma grandeza física no
espaço e periódica no tempo.
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Luz
o
Onda eletromagnética cujo comprimento de onda se inclui num
determinado intervalo dentro do qual o olho humano é a ela
sensível.
o Toda radiação eletromagnética (incluindo a luz visível) se
propaga no vácuo a uma velocidade constante.
o c= 299.792.458 m/s = 1,079x109 Km/h.
o Propriedades:
o Absorção
o Reflexão
o Transmissão
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Espectro eletromagnético
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Espectro visível
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Espectro visível
Cor
Frequência
Comprimento
de onda
violeta
668–789 THz
380–450 nm
azul
606–668 THz
450–495 nm
verde
526–606 THz
495–570 nm
amarelo
508–526 THz
570–590 nm
Laranja
484–508 THz
590–620 nm
vermelho
400–484 THz
620–750 nm
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Relação entre a frequência da
luz e o comprimento de onda.
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Experimento da banda infra vermelha
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Ondas eletromagnéticas
Ondas eletromagnéticas são normalmente descritas por qualquer uma das
seguintes propriedades físicas:
ƒ : frequência
λ : comprimento de onda
E : energia de fóton
𝑐
𝑓=
𝜆
h é a constante de Planck.
ℎ = 6,626069𝑥10−34 𝐽. 𝑠
= 4,13567𝑥10−15 𝑒𝑉. 𝑠
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
𝐸
𝑓=
ℎ
ℎ𝑐
𝐸=
𝜆
c é a velocidade da luz no vácuo
𝑚
𝑐 = 299.792.458
𝑠
𝑚
≈ 3𝑥108 𝑠
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Dualidade onda partícula
o
o
No final do século XIX, a teoria ondulatória começou a ser questionada.
Ao se tentar teorizar a emissão fotoelétrica, a teoria ondulatória não
conseguia explicar o fenômeno.
o
Albert Einstein demonstrou que um feixe de luz são pequenos pacotes de
energia (fótons), assim foi explicado o fenômeno da emissão fotoelétrica.
(1911, quando Arthur Compton demonstrou que "quando um fóton colide
com um elétron, ambos comportam-se como corpos materiais.“)
Assim, podemos afirmar que quando a luz se propaga no espaço, ela se
comporta como onda, mas quando incide sobre uma superfície, passa a se
comportar como partícula.
o
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Dualidade onda partícula
o
o
De acordo com a física clássica existem diferenças entre onda e partícula.
Uma partícula ocupa um lugar no espaço e tem massa. Uma onda se
estende no espaço caracterizando-se por ter uma velocidade definida e sem
massa.
Postula que todas as partículas apresentam propriedades de onda e
partícula. Especificamente, como partículas podem apresentar interações
muito localizadas e como ondas têm o fenómeno da interferência.
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Dualidade onda partícula
Fóton
o
o
o
o
o
o
Partícula elementar mediadora da força eletromagnética.
O fóton também é o quantum da radiação eletromagnética (incluindo a luz).
Em alguns aspectos um fóton atua como uma partícula.
Em outras ocasiões, se comporta como uma onda, tal como quando passa
através de uma lente ótica.
De acordo com a dualidade onda-partícula da mecânica quântica, é natural
para um fóton apresentar ambos aspectos na sua natureza, de acordo com
as circunstâncias que se encontra.
Normalmente, a luz é formada por um grande número de fótons, tendo a
sua intensidade ou brilho ligada ao número deles.
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Corpo negro
o
o
o
É aquele que absorve toda a radiação eletromagnética que nele incide.
Um corpo com essa propriedade, em princípio, não pode ser visto, daí o
nome corpo negro.
Apesar do nome, corpos negros produzem radiação, o que permite
determinar qual a sua temperatura.
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Corpo negro
Radiação de corpo negro
o
É a radiação eletromagnética emitida por um corpo em qualquer
temperatura, constituindo uma forma de transmissão de calor, ou seja, por
meio deste tipo de radiação ocorre transferência de energia térmica na
forma de ondas eletromagnéticas.
°K
753,15 K
853,15 K
1003,15 K
1203,15 K
1373,15 K
1573,15 K
Cor
brilho avermelhado fraco
vermelho escuro
vermelho brilhante, levemente alaranjado
laranja brilhante
laranja amarelado pálido
amarelo claro
branco (amarelado se visto a distâncias
>1673,15 K
superiores à da atmosfera)
~300k
Infravermelho
o
Um bom modelo de corpo negro são as
estrelas, como o Sol. A cor branca do Sol
corresponde a uma temperatura superficial
da ordem de 5750K
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Conceitos básicos
Lei de deslocamento de Wien
o
A emissão de radiação do corpo negro apresenta uma distribuição espectral
que depende apenas da temperatura 𝑇 .
𝜆𝑚 . 𝑇 = 𝑏 = 2,898𝑥10−3 𝑚. 𝐾
o
o
o
𝜆𝑚 : Comprimento de onda para o qual a emissão por unidade de área é
máxima (m).
𝑇 : Temperatura do corpo negro (K).
𝑏: Constante de dispersão de Wien.
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Radiação solar
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
O sol
o
O sol é a estrela mais próxima de nós – 1,496x1011 m. (449s)
o O astro central do sistema solar (99,86% da massa do
sistema solar).
o Diâmetro médio: 1,329x109 m.
o Temperatura da superfície: 5778 K.
o Temperatura do núcleo: 15,7x106 K.
o Composição:
o H: 73,46%
o He: 24,85%
o Outros (O, C, Fe, S, N, Si, etc.): < 2%
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
O sol – Energia
o
A energia do sol advém da fusão nuclear entre os núcleos
dos átomos que o constituem (principalmente H virando He).
Cadeia próton-próton
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
O sol – Tempo de vida
o
De acordo com a estimativa, daqui a 7 bilhões de anos o
ciclo de vida do sol chega ao fim.
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
O sol – O equilíbrio energético no planeta
Em média, da radiação solar incidente (sobre o sistema
Terra/atmosfera):
o
o
o
o
19 % é perdida por absorção pelas
moléculas de oxigénio e ozónio da radiação
ultravioleta (de alta energia) na estratosfera
(onde a temperatura cresce com a altitude).
6 % é perdida por difusão da luz solar de
menor comprimento de onda - azuis e
violetas - (o que faz com que o céu seja
azul);
24 % é perdida por reflexão - 20% nas
nuvens e 4% na superfície. (O albedo do
planeta é de 30% (6% difusão+24%
reflexão).
51 % é absorvida pela superfície.
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
O sol – Espectro
o
o
O espectro do sol no topo da atmosfera terrestre é similar ao de
um corpo negro de 5523,15 °k.
Por conta de absorções dos gases na atmosfera, chega até a
superfície uma quantidade de energia menor, porém grande o
suficiente para abastecer a demanda energética. (1,36 KW/m2)
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
O sol – distribuição energética
o
o
Há uma classificação oficial para a quantidade de insolação que
atinge a superfície da Terra ao longo das diversas posições do
globo.
A variação da insolação na superfície da Terra é um dos fatores
importantes para os sistemas que dependem do sol
determinarem suas estratégias energéticas.
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
Movimento terra-sol
o
o
Rotação da Terra — movimento em torno do seu próprio eixo,
dura aproximadamente 24 horas para se completar. (°23)
Translação da Terra — movimento em torno do Sol, dura
aproximadamente 365 dias e 5,59 horas.
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
Esfera celeste e o valor da declinação
o
Esfera com a terra fixa no seu centro (esfera celeste).
𝑑 = −23,44xCos
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
𝑑𝑛 + 10 𝑥360
365
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
Distância terra sol
o
A pequena excentricidade da elipse faz variável a distância solterra.
360𝑥𝑑𝑛
𝑟0 = 1 + 0,33xCos
365
𝑟 = 1,496𝑥1011 m
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
𝑟
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
Duração do dia e da noite
o
o
o
o
A obliquidade da eclíptica ajuda a explicar, por um lado o
diferente aquecimento global dependendo de sua posição na
órbita (as estações: primavera, verão, outono e inverno) e do
outro lado diferentes durações do dia e da noite durante todo o
ano.
Valor da declinação é nula nos equinócios (21 mar e 23 set)
Solstício de verão (22 dic) d=+23,45°
Duração do dia mais longa
Solstício de inverno (21 jul) d=-23,45°
Duração da noite mais longa
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
O tempo solar
o
Devido a que a terra, na sua trajetória em torno do sol, não tem
um movimento circular perfeito, o tempo para que o sol passe
duas vezes pela uma mesma posição angular não é igual a 24h.
o
Dia solar: Tempo que tarda o sol em passar duas vezes por o
meridiano do observador.
o
Dia civil: Tempo de rotação terrestre. (24h)
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
Posição do sol, coordenadas polares
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Radiação solar
Posição do sol, coordenadas polares
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Curiosidades
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Curiosidades
Google – Project Sunroof
https://www.youtube.com/watch?v=_BXf_h8tEes
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Curiosidades
Bairro produz mais energia do que consome
o
o
Com tetos solares, bairro alemão já produz quatro vezes mais
energia do que consome.
59 residências e um edifício comercial (11.000 m2)
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ENG1116 – Tópicos especiais - Energia solar
Curiosidades
Estacionamento com energia solar
o
o
UFRJ: campus do Fundão terá o maior estacionamento com
energia solar gerada no país
Capacidade para 65 carros, o espaço de 650 m2. 414 painéis
fotovoltaicos (140 mil KWh por ano) suficiente para abastecer
até 70 residências com consumo médio mensal de 167 KWh.
M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero