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 600.106 kg de hidrogênio em hélio. No
total são produzidos 3,8.1026W, ou seja, a mesma energia de
5.1015 bombas de Hiroshima (fissão) por segundo.
Outras propriedades do sol:
Tinterna = 15.106 K
Distância da Terra = 150.106 km
Tempo de Vida útil = 6,5.109 anos
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Qual o valor da energia possível de ser consumida a
partir da produção anual do sol?
Em 1 segundo = 3,8.1026 J
Em um ano: 3,8.1026 J x 3600 x 24 x 365 = 1,2.1034 J
Conversão: 1 Wh = 3600 J ⇔ 1,2.1034 J = 3,3.1030 Wh
O sol produz 3,3.1018 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/m2.
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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 m2 da superfície da Terra 677 W.
Qual o máximo de energia que atinge o planeta no ano ?
S = 4π R2 // R = 6.380 km // S = 5,12.1014 m2
Constante Solar útil = 677 W/m2
Em 1 m2 = 677 J em 1 segundo
2,13.1010 J em um ano
6.000 kWh em um ano (6 MWh)
Em 5,12.1014m2 → 3,0.109 TWh
19.355 vezes o consumo mundial de energia
(Mundo, 2012 - 13.371. 106 tep ou 1,55.105 TWh)
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Esse valor 3,0.109 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. 1a Edição. Brasília, 2003. Disponível em http://www.aneel.gov.br. Acesso em 23 jan 2004.
Menor valor observado: 1,89 kWh/m2 por dia (norte da Europa)
Num ano: 690 kWh
Maior valor observado: 6,4 kWh/m2 por dia (próximo ao Equador)
Num ano: 2,4 MWh/m2
Brasil: Média: ~ 5,2 kWh/m2 por dia
S = 8,5.106 km2 = 8,5.1012 m2
⇒44.000 TWh por dia ou 1,6.107 TWh por ano
⇒4.650 vezes o consumo nacional
(2013 - 296.106 tep = 3,44. 103 TWh)
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ATLAS de Energia Elétrica
do Brasil. Agência Nacional
de Elétrica do Brasil. 1a
Edição. Brasília, 2003.
Disponível em
http://www.aneel.gov.br.
Acesso em 23 jan 2004.
Média Mínima observado: 4,5 kWh/m2 por dia
Média Máxima observado: 6,1 kWh/m2 por dia
Apesar do potencial, há pouco aproveitamento da energia solar.
Por quê?
Alto Custo (principalmente para eletricidade)
Fonte: Atlas Nacional de Energia Elétrica, 3a ed, 2008
Disponível em www.aneel.gov.br
Baixa Eficiência (para aquecimento e eletricidade) ~ 25%
Dias nublados // Poluição
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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
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Aquecimento de água para banho:
Temperatura do banho: quente (>32oC)
morno (18-32oC)
frio (10-18oC)
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.oC ; dágua = 1 kg/L ; Tinicial da água no verão = 25oC;
Tinicial da água no inverno = 10oC; Tfinal banho quente = 30oC
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. 1a
Edição. Brasília, 2003. Disponível em http://www.aneel.gov.br. 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 2m2 e normalmente
se utiliza um coletor para cada 100 L de água quente desejada.
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Belo Horizonte – MG
804 m2 de coletores
60.000 L de água
Motel Dallas
92 suítes
Brasil
140 fabricantes de coletores solares (300.000 m2 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.
984.386 espelhos
6,5 km2
Potência: 354 MWt
75 MWe
ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1a Edição. Brasília, 2003. Disponível em
http://www.aneel.gov.br. Acesso em 23 jan 2004
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Fevereiro de 2014
Maior planta solar do mundo
Capacidade: 342 MW
Área: 12 km2
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, 2003
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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, 3a ed, 2008
Disponível em www.aneel.gov.br
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Fonte: Atlas Nacional de Energia Elétrica, 3a ed, 2008
Disponível em www.aneel.gov.br
Fonte: Atlas Nacional de Energia Elétrica, 3a ed, 2008
Disponível em www.aneel.gov.br
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Fonte: Atlas Nacional de Energia Elétrica, 3a ed, 2008
Disponível em www.aneel.gov.br
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.
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ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétria, 06/04/2015
http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/OperacaoCapacidadeBrasil.cfm
O Brasil possui 3.705 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
http://www.aneel.gov.br/cedoc/ren2012482.pdf
Exemplo: Sistema de 7,6 kW numa chácara em São Carlos
https://www.youtube.com/watch?v=BejFYCDfh9Y&feature=youtu.be
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Capim Grosso-BA
Bombeia até 12 m3 de água
por dia a uma distância de
350m do açude
Mirante do Paranapanema-SP
Bombeia água até o
reservatório de 7.500 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. 1a Edição.
Brasília, 2003. Disponível em http://www.aneel.gov.br. Acesso em 23 jan 2004
ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1a Edição. Brasília, 2003. Disponível em http://www.aneel.gov.br. Acesso em 23 jan 2004
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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. 1a Edição. Brasília, 2003.
Disponível em http://www.aneel.gov.br. Acesso em 23 jan 2004
Nova Mamoré-RO
Diesel – 162 kW
Solar – 320 painéis de 64 W
20,5 kW
300 m2, inclinação 10o
ATLAS de Energia Elétrica do Brasil. Agência Nacional de Elétrica do Brasil. 1a Edição. Brasília, 2003. Disponível em http://www.aneel.gov.br. Acesso em 23 jan 2004
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A primeira solar interligada à rede no país;
Início da operação comercial: agosto de 2011;
4.680 painéis fotovoltaicos;
12 mil m2;
investimento de R$ 10 milhões ;
Potência de 1 MW;
Licença para ampliação até 50 MW.
http://www.mpx.com.br/pt/nossos-negocios/geracao-de-energia/usinas-emoperacao/solar-taua/Paginas/visao-geral.aspx
Solar Tauá, Ceará
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;
http://brasileconomico.ig.com.br/noticia
s/cpfl-energia-investe-r-138-milhoesna-usina-solar-tanquinho_125354.html
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Cidade Azul, Tubarão-SC
Inaugurada em agosto de 2014;
investimento de R$ 30 milhões ;
19.424 painéis inclinados a 15º em 10 hectares;
Potência de 3 MW, sendo possível abastecer 2.500 residências;
http://g1.globo.com/sc/santacatarina/noticia/2014/09/mai
or-usina-solar-do-pais-atinge85-de-geracao-em-um-mesde-operacao.html
http://economia.uol.com.br/noticias/
redacao/2014/08/29/usina-queproduz-25-da-energia-solar-dopais-comeca-operacao-comercial.htm
http://sustentabilidade.allianz.com.br/energia/?75
4/As-10-maiores-usinas-solares
http://exame.abril.com.br/meio-ambiente-eenergia/noticias/5-incriveis-estadios-movidos-aenergia-solar#3
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http://en.wikipedia.org/wiki/P
hotovoltaic_power_plant
Tendência – aumentar a eficiência e resolver o problema de só
produz quando tem sol
http://www.torresolenergy.com/TORRESOL/gemasolar
-plant/en
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