Energia Solar Produção e utilização

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
Energia Solar
Produção e utilização
Projeto FEUP 2014/2015 -- MIEEC:
Armando Sousa
Manuel Firmino
Equipa 1MIEEC03_3
Supervisor: José Fidalgo
Monitor: Elsa Moura
Estudantes & Autores:
Álvaro Melo [email protected]
Filipa Raimundo [email protected]
João Grilo [email protected] Nuno Francisco Moreira [email protected]
Tiago Almeida Campos [email protected]
Índice Resumo ....................................................................................................................................... 3 Agradecimentos .......................................................................................................................... 4 Energia Solar .............................................................................................................................. 5 Geradores Solares ................................................................................................................... 12 Funcionamento de um gerador solar de eletricidade com baterias: ...................................... 12 Energia solar – Tipos de centrais e princípio de funcionamento ................................................ 14 Tipos de centrais ..................................................................................................................... 14 Central solar térmica de coletor central ................................................................................. 14 Central solar térmica de coletores distribuídos ...................................................................... 15 Central fotovoltaica ................................................................................................................ 15 Conclusões .................................................................................................................................. 16 Bibliografia/ webgrafia ............................................................................................................. 17 Resumo
A energia solar tem como matéria-prima o Sol, sendo produzida por ação direta
ou indireta do mesmo. Como todas as outras energias esta também é portadora de
algumas vantagens e desvantagens. Comecemos por enumerar algumas das suas
vantagens: a energia solar não polui durante a sua utilização e para além disso, os
painéis solares são cada vez mais potentes e o seu custo está a decair, o que torna
cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável. Por outro lado,
existe uma variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação climatérica
(nebulosidade, chuvas, neve), além de que durante a noite não existe produção
alguma. Uma central fotovoltaica pode também alterar a paisagem existente e o
equilíbrio natural. Não há dúvida de que os painéis solares são a tecnologia mais
difundida de aquecimento de águas com fontes de energia renováveis. Infelizmente,
no nosso país, tem-se feito pouco aproveitamento da energia solar, muito embora, nos
últimos anos, a tecnologia tenha atingido níveis de fiabilidade que permitem a sua
utilização de forma eficiente. Um painel solar (ou coletor solar) é um dispositivo que
converte a energia solar em energia térmica ou elétrica.
Palavras-chave
Energia solar, Radiação solar, Painéis Fotovoltaicos, Energias Renováveis, Energia
térmica, Energia elétrica.
Agradecimentos
Todos os elementos do grupo gostariam de agradecer àqueles que nos
ajudaram na realização do trabalho em causa.
Queríamos agradecer em especial ao coordenador José Fidalgo e à monitora
Elsa Moura. Aproveitamos ainda para deixar um agradecimento a todos os envolvidos
nas palestras referentes ao Projeto FEUP, que nos serviram de base à realização
deste trabalho.
Finalmente agradecemos à Faculdade de Engenharia da
Porto pelos recursos proporcionados.
Universidade do
Introdução
Ao longo do nosso trabalho vamos falar sobre um tipo de energia renovável, a energia solar, cuja exploração e posterior transformação em energia têm sido introduzidas no mundo em que vivemos. Numa altura em que o mundo se encontra constantemente ameaçado face à constante utilização de combustíveis fósseis, também denominados energias não renováveis, é essencial que o Homem encontre uma alternativa a esses combustíveis, para que possa ser possível a proteção do meio ambiente em que vivemos. Neste trabalho daremos também a conhecer algumas estatísticas recentes relacionadas com o tema da energia solar, não só em Portugal mas no resto do mundo. O trabalho foi desenvolvido com o objetivo de uma maior aprendizagem sobre as energias renováveis, neste caso a energia solar, uma vez que estas são as energias do futuro e que, sendo utilizados recursos em abundância no nosso planeta, apresentam um elevado nível de sustentabilidade. Energia Solar
Ao longo dos tempos, o Homem tem-se tornado capaz de desenvolver e utilizar
os recursos provenientes do meio ambiente para melhorar o seu estilo de vida,
recursos esses, que são utilizados para produzir energia.
O tipo de energia com origem nestes recursos divide-se em dois grandes
grupos: o das energias renováveis e o das energias não
renováveis
Por energia renovável entende-se que a sua
exploração poderá sempre ser feita com o passar dos anos,
sem que a base necessária a essa exploração cesse.
No que concerne às energias
não renováveis, a sua exploração e Fig.1 Energias renováveis
introdução no mundo em que vivemos
corre risco de acabar, são por isso energias finitas, na medida em
que não é feito o seu reaproveitamento.
A energia a que nos compete apresentar, encontra-se
inserida no primeiro grupo, referida anteriormente. Neste
sentido, a energia solar e o seu aproveitamento a nível do melhoramento das
condições de vida de todos aqueles que dela usufruem não se encontra condicionado
pelo fator tempo, à luz do que acontece com os recursos não renováveis, cujo futuro
previsto é a sua extinção.
Fig.2 Energias não renováveis
De uma forma geral, ao nível do quotidiano, julga-se que a energia produzida
através do desenvolvimento de técnicas que nos permitam fazer um bom
aproveitamento das radiações solares que chegam
à superfície da terra, de modo a que a
implementação de novos mecanismos e crescente
aproveitamento,
provoque,
diretamente
um
melhoramento das condições de vida.Uma vez que
vivemos num mundo onde quanto maior for o
desenvolvimento do meio à nossa volta, melhor e
mais confortável será a vida proporcionada a todos
aqueles que possam usufruir destas novas
condições.
A energia solar é então a energia
proveniente do sol que é captada por painéis
fotovoltaicos, constituídos por células fotovoltaicas e
Fig.3 Energia solar
posteriormente transformada em energia elétrica, mecânica ou ainda utilizada para o
aquecimento de água.
Este tipo de energia possui um conjunto de vantagens, que nos levam a considerar
que o seu desenvolvimento e utilização deveria ser algo em que a sociedade deveria
apostar mais, nomeadamente:
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•
•
•
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•
•
Não polui durante sua produção
A poluição decorrente do fabrico dos equipamentos necessários para a
construção dos painéis solares é totalmente controlável.
As centrais necessitam de manutenção mínima.
Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que o seu
custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução
economicamente viável.
A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois a sua
instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas
de transmissão.
Em países tropicais a utilização da energia solar é viável em praticamente todo
o território, e, em locais longe dos centros de produção energética. A sua
utilização ajuda a diminuir a demanda energética nestes e consequentemente
as perdas associadas à transmissão e à distribuição de energia.
Tem uma elevada aceitação pública por não ser um produto sintético;
A radiação solar, produto da energia solar, é gratuita e abundante;
No entanto, como qualquer exploração que é feita no meio ambiente e que
englobe uma alteração do decorrer normal das coisas, ou até o simples facto de ser
algo introduzido na sociedade há relativamente pouco tempo, associada ao
melhoramento das técnicas em que a energia solar serve de base à produção de
energia, vêm um conjunto de desvantagens que são:
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•
•
Um painel solar consome uma quantidade enorme de energia para ser
fabricado. A energia para a fabricação de um painel solar pode ser maior do
que a energia gerada por ele.
Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de produção de
energia.
Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação
atmosférica (nuvens, chuva, neve), além de que durante a noite não existe
produção, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia
produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados
à rede de energia.
Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul
da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses
de inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com
frequente cobertura de nuvens, tendem a ter variações diárias de produção de
acordo com o grau de nebulosidade.
As formas de armazenamento da energia são pouco eficientes quando
comparadas, por exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), a
energia hidroelétrica (água) e a biomassa (bagaço da cana ou bagaço da
laranja).
Requer um sistema de armazenamento eficiente ou e sistemas de segurança
de modo que tenha um fornecimento constante.
Desta forma, damo-nos conta que embora seja uma energia renovável, a sua
utilização, exploração e reaproveitamento possuem um conjunto imenso de vantagens
(até mesmo face a outro tipo de energias não renováveis), possui igualmente um
grande número de desvantagens.
A energia solar pode ser de dois tipos: fotovoltaica ou térmica.
Focando-nos na energia fotovoltaica, sabemos que a base deste procedimento é a
utilização de células fotovoltaicas. Cada painel fotovoltaico apresenta habitualmente
na sua constituição 36 células fotovoltaicas, responsáveis pela conversão de energia
solar em energia elétrica.
No que concerne à energia solar térmica, a captação da energia também é feita
pela absorção de radiação solar, por parte de painéis, no entanto, distingue-se da
anteriormente enunciada, na medida em que a energia solar, após ser absorvida, é
transformada em calor (água quente) que é armazenado num depósito.
Portugal é um país onde o nível de exposição solar admite valores muito elevados,
neste sentido, a exploração desta energia poderia ser feita facilmente e com bons
resultados.
Fig.4 energia solar utilizada em habitações
Evolução da produção de energia com base solar
O aumento da produção de energia é algo que tem vindo a acontecer ao longo dos
anos.
De uma forma geral, essa evolução é notória desde 2001/09 no entanto, já existia,
apesar de ser algo muito constante e inalterado.
Como poderemos ver nos gráficos seguintes referentes à evolução da produção de
energia a vários níveis, as grandes alterações são verificáveis a partir de 2007/08.
Fig.5 evolução da potência instalada em Portugal Continental-­‐ energia Solar(MW) Fig.6 Evolução da área de coletores solares instalados em Portugal entre 2003 e 2009 Pela observação minuciosa dos gráficos apresentados concluímos,
indubitavelmente, que a produção de energia com base solar tem aumentado
exponencialmente. Aliás, é em Portugal onde se localizam algumas das maiores
centrais fotovoltaicas do mundo. Uma delas está situada em Amareleja, no concelho
de Moura (fig. 7). (No entanto, continuam a ser desenvolvidas políticas que servem
como incentivo ao investimento e ao aumento da produção de energia com base solar. Fig.7 Central fotovoltaica no concelho de Moura Em termos mundiais, no grupo das energias renováveis, é a energia solar
fotovoltaica que revela atualmente um crescimento mais acentuado. Vários são os
países que trabalham arduamente nesta área de modo a serem capazes de alimentar
o maior número de habitações a partir de energia solar.
Fig.8 evolução da produção de células fotovoltaicas Fig.9 Evolução da potência solar instalada Fig.10 evoução da produção de energia com base solar no panorama mundial Assinale que, no mundo, já há iniciativas de diversos países para aproveitar a
energia solar por meio de painéis fotovoltaicos. De custo elevado, em alguns casos
eles contam com subsídios governamentais, como no Japão. O aproveitamento vem
crescendo também na Alemanha, China e Estados Unidos.
Geradores Solares
Os geradores solares são aparelhos que captam diretamente a luz solar, com
vista a utiliza-la para posterior produção de energia.
No caso de os geradores serem utilizados em locais onde não existe rede
elétrica, pode ser considerado autónomo, na medida em que é capaz de armazenar
energia produzida, para que possa ser posteriormente utilizada, assim que necessário.
Este tipo de necessidade é notória quando não existe luz solar, mais propriamente, à
noite, em dias nublados ou ainda chuvosos.
Funcionamento de um gerador solar de eletricidade com baterias Quando a célula fotovoltaica capta a luz, é gerada, de forma semelhante à
fotossíntese das plantas, energia. Ao incidir sobre uma placa fotovoltaica, o feixe de
luz transforma-se numa carga elétrica que irá carregar uma bateria.
A energia que é produzida pelas células varia com a intensidade da radiação
solar e da área na qual essa radiação luminosa incide. Devido ao facto da baixa
produção de energia de cada célula fotovoltaica, é necessário conectar várias células
em série formando um módulo.
Contudo, pode acontecer que um só módulo não seja suficiente para alcançar
a quantidade de energia necessária para o respetivo consumo e nesse caso é
necessária a ligação de vários módulos em paralelo.
Normalmente, os geradores são dimensionados para poderem estar um
máximo de três dias sem insolação, e para uma média de radiação solar de cinco
horas de insolação máxima. Quando falamos de outras situações, nomeadamente
grandes empresas e estabelecimentos, esse limite deve ser aumentado, tendo em
conta que há alturas do ano em que a energia solar recebida é mínima, e com esses
valores poderia ser insuficiente para satisfazer todas as funções para as quais tenha
sido produzido.
Fig.11 gerador solar
Um gerador solar fotovoltaico a baterias apresenta na sua constituição os
seguintes elementos:
• Células Fotovoltaicas;
• Baterias;
• Controlador de carga (protege as baterias contra descargas profundas e
excesso de carga aumentando a sua vida útil).
Fig.12 gerador solar fotovoltaico a baterias
Os geradores solares produzem eletricidade direta com a ajuda dos eletrões,
presentes na placa, que se movem do polo negativo para o positivo. A energia gerada
e armazenada nas baterias alimentará depois um inversor que converterá a corrente
contínua em corrente alternada.
Energia solar – Tipos de centrais e princípio de funcionamento Tipos de centrais •
•
Térmicas: Utilizam o calor do sol para aquecer água, criando energia
elétrica a partir de uma turbina a vapor.
Fotovoltaicas: Utilizam células fotovoltaicas, que são capazes de
converter a luz diretamente em energia elétrica.
Central solar térmica de coletor central Constituída por um conjunto de
espelhos espalhados por uma ampla área
plana e desimpedida, que apontam todos
para um mesmo ponto, situado no alto de
uma torre. Neste ponto, canalizações de
água são aquecidas pela incidência da luz
solar refletida, produzindo vapor que move
uma turbina a vapor e que
um gerador de energia elétrica.
Fig.14 diagrama de um coletor central
aciona Fig.13 central solar térmica
Central solar térmica de coletores distribuídos Concentram a energia do sol na superfície
de espelhos curvos. O calor concentrado é então
utilizado para vaporizar água e encaminhar o vapor
para uma turbina.
Fig.15 coletores distribuídos
Central fotovoltaica A energia produzida nos módulos de células fotovoltaicas é normalmente
armazenada em baterias. Esta solução é
frequente em iluminação pública isolada,
retransmissores, sistemas de depuração de
águas e dessalinização, telefones SOS.
As instalações com ligação à rede
são
uma solução favorável em ramificações
terminais da rede de distribuição elétrica,
melhorando a qualidade do serviço e Fig.16 central fotovoltaica
garantindo prestações mínimas em caso de
falha da rede convencional. A potência instalada mesmo nestes casos é reduzida.
Conclusões
Este trabalho pretendeu transmitir uma abordagem completa, concisa e clara
sobre energia solar, englobando não só os diferentes tipos de tratamento desta
energia mas também as vantagens, desvantagens e a evolução da mesma.
O uso da energia solar tem sofrido um crescimento significativo desde o início
do século devido ao aumento da procura por energias alternativas em decaimento da
procura por combustíveis fósseis, bem como ao desenvolvimento de tecnologias mais
eficazes.
A introdução de um novo modo de obtenção de energia no mundo é algo que
se tem tornado cada vez mais necessário, principalmente pela ameaça do fim dos
combustíveis fosseis, que o Homem estava habituado a usar para obter a energia
necessária.
A energia solar tem potencial para inovar o tipo de energia que utilizamos,
proporcionando as mesmas condições a que estamos habituados, sem que para isso
tenhamos de abdicar do conforto, assim como prejudicar o mundo em que vivemos.
Por outro lado, a nível monetário a longo prazo, é um tipo de energia que pode
compensar quem nela investe,
Em suma, é necessário que a evolução do desenvolvimento de energia
proveniente de luz solar continue a aumentar, continuando a desenvolver e preservar
o planeta em que vivemos.
Bibliografia
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https://www.flickr.com/photos/afloresm/
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Renováveis – estatísticas rápidas, Fevereiro de 2009
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CEEE/Balanço
Energético
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YunitRenovaveis
Renováveis magazine edição especial nº11 3º trimestre 2012
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