TÉCNICO DE ENERGIAS RENOVÁVEIS Modulo 10 Energia Solar Devido à grande distância existente entre o Sol e a Terra, apenas uma mínima parte (aproximadamente duas partes por milhão) da radiação solar emitida atinge a superfície da Terra. Esta radiação corresponde a uma quantidade de energia de 1x1018 kWh/ano. A quantidade de energia solar que atinge a superfície da Terra corresponde, aproximadamente, a dez mil vezes à procura global de energia. Assim, teríamos de utilizar apenas 0,01 % desta energia para satisfazer a procura energética total da humanidade. A intensidade da radiação solar fora da atmosfera, depende da distância entre o Sol e a Terra. Durante o decorrer do ano, pode variar entre 1,47 x 108 km e 1,52 x 108 km. Devido a este facto, a irradiância E0 varia entre 1.325 W/m2 e 1.412 W/m2. O valor médio é designado por constante solar, EO = 1.367 W/m² . No entanto, apenas uma parte da quantidade total da radiação solar atinge a superfície terrestre. A atmosfera reduz a radiação solar através da reflexão, absorção (ozono, vapor de água, oxigénio, dióxido de carbono) e dispersão (partículas de pó, poluição). O nível de irradiância na Terra atinge um total aproximado de 1.000 W/m2 ao meio-dia, em boas condições climatéricas, independentemente da localização. Ao adicionar a quantidade total da radiação solar que incide na superfície terrestre durante o período de um ano, obtém-se a irradiação global anual, medida em kWh/m2. Componentes da radiação (fig. 1)
Radiação directa: constituída por raios solares recebidos em linha recta do
sol;
Radiação difusa: procedente de todo o céu visível, excluindo o disco solar, e
originada pelos raios não directos e dispersos pela atmosfera. Depende fundamentalmente fundamentalmente das nuvens, sendo muito variável no tempo; Radiação reflectida no albedo : procedente do solo e com origem na reflexão da radiação incidente na superfície. Depende das características do solo; Radiação global: é a soma da radiação directa e difusa, componentes anteriores; Radiação total: é a soma da radiação directa, difusa e de albedo.
Figura 1
Posição do sol relativamente a um plano horizontal (fig. 2)
O zénite é a direcção vertical sobre o plano horizontal; Distância zenital, θz - é o ângulo entre o zénite e a radiação directa no plano; Elevação solar, s=90- θz - é o ângulo entre o plano horizontal e a radiação directa no plano; O Azimute solar, s - é o ângulo formado entre a direcção Sul e a projecção da linha Sol-Terra sobre a horizontal. O azimute para para oeste é positivo e para Este é negativo; - é a inclinação do plano, que corresponde ao ângulo entre a “linha do painel/colector” e a horizontal.
Figura 2
Aproveitamentos da energia solar:
Conversão Térmica e Conversão Eléctrica
Conversão Térmica: A conversão térmica da energia solar consiste na absorção de radiação numa superfície absorsora e na transferência desta energia, sob a forma de calor para o elemento que irá receber a energia útil. A temperatura atingida no elemento que recebe a energia útil resulta do balanço entre a quantidade de radiação absorvida e as perdas térmicas existentes. O elemento que recebe a energia útil pode circular através do absorsor, removendo a energia ( caso de um colector solar térmico com circuito hidráulico ) ou pode permanecer no absorsor ( caso de forno solar ), aumentando gradualmente a temperatura do conjunto e, consequentemente, as perdas térmicas. A quantidade de radiação solar disponível na superfície absorsora pode ser aumentada utilizando reflectores que permitam a concentração da radiação, aumentando, consequentemente, consequentemente, a energia útil extraída do conjunto. Perdas Térmicas podem ocorrer de três modos: Condução, quando o calor
se propaga para o exterior através das superfícies; superfícies; Convecção, quando o calor se propaga para o exterior através do escoamento de ar sobre as superfícies; Radiação, quando o calor se propaga para o exterior através da emissão de radiação a partir das superfícies;
Estas Perdas Térmicas podem ser minimizadas:
As perdas térmicas por condução podem ser minimizadas através do isolamento térmico (esferovite, lã de vidro, lã de rocha, poliestireno expandido, etc.) do conjunto e da redução da área superficial por onde estas perdas térmicas ocorrem. As perdas térmicas por convecção podem ser minimizadas através da limitação do escoamento de ar sobre a superfície absorsora ou mesmo através da colocação da superfície absorsora em vácuo, caso em que estas perdas se eliminam. As perdas térmicas por radiação podem ser minimizadas através da utilização de uma cobertura transparente, em plástico ou vidro, através da minimização da área da superfície absorsora ou mesmo através da utilização de uma superfície absorsora selectiva.
Aplicações:
Colectores solares térmicos Normalmente, um colector solar é constituído não só pela superfície absorsora mas também por elementos de protecção térmica e mecânica da mesma:
Existem diversos tipos de colectores solares térmicos que se distinguem pela temperatura de utilização. Por ordem crescente de temperaturas temos:
Colectores planos sem cobertura (aquecimento de piscinas) Colectores planos com cobertura (aquecimento de aguas) Colectores concentradores (CPC) com cobertura (aquecimento de aguas e produção de vapor) Colectores de tubo de vácuo (aquecimento de aguas e produção de vapor)
O calor resultante da conversão térmica da radiação solar é armazenado num depósito de acumulação. A ligação e transferência de calor entre o colector solar e o depósito, é efectuada por um circuito hidráulico de acordo com uma das seguintes configurações: em que o fluido que circula nos colectores solares é a agua de consumo (em desuso); Circuito primário em que o fluido que circula nos colectores não entra em contacto com a agua. (mais usado).
Circuito directo
A circulação do fluido pelo colector pode ser realizada através da utilização de uma bomba circuladora (circulação forçada) ou por circulação natural com base na diferença de densidades, ou termossifão.
Termossifão: fluido térmico nos colectores aquece, tornando-se menos
denso e subindo do colector para o depósito, fluido térmico dentro do depósito arrefece e desce para os colectores. Nota: Pode acontecer a circulação inversa, mas para que isso não aconteça introduz-se um desnível entre o topo do colector e o fundo do depósito. Constituição de um sistema por Termossifã T ermossifão: o:
Colector solar; Depósito de acumulação (termoacumulador); (termoacumulador); Apoio energético Modulante (ex: esquentador, caldeira); Módulo Solar (para misturar a agua); Módulo de medição de temperatura.
Nota: A diferença para os sistemas de circulação forcada é que possuímos uma bomba circuladora. Rendimento do sistema é dado essencialmente pelo quociente pela relação
da diferença de temperatura atingida pela área do absorsor (área que absorve).
Fornos Solares Os fornos solares são utilizados na conversão térmica da radiação solar para cozinhar alimentos ou para produzir água destilada. Normalmente, num forno solar a superfície absorsora é um recipiente que contém os alimentos, sendo o forno constituído pelos seguintes elementos:
Figura 3
A temperatura atingida no interior do recipiente (absorsor) vai depender da quantidade de radiação solar que entra no forno, bem como do nível de protecção térmica de que dispõe. Os materiais utilizados na construção de fornos solares devem ser resistentes à humidade, dado que durante a cocção dos alimentos é libertado vapor de água, bem como às temperaturas que se possam atingir no seu interior. Num forno temos, essencialmente, essencialmente, quatro tipos de materiais: garantem a estabilidade dimensional do conjunto (cartão, madeira, plástico, cimento, etc.); Isolamento – minimiza as perdas térmicas do conjunto (lã de vidro, esferovite, papel de jornal, etc.); Transparentes – permitem a criação do efeito de estufa no interior da caixa (vidro, plástico para alta temperatura, etc.); Reflectores – minimizam as perdas térmicas no interior do forno e podem concentrar a radiação solar no interior (folha de alumínio, etc.).
Estruturais –
Figura 4
O forno solar exposto ao Sol deve apresentar a maior largura ao sentido EsteOeste, de modo a poder captar radiação solar durante um maior período de tempo.
Figura 5
É comum a utilização de reflectores simples ou múltiplos que permitem a concentração de radiação solar no interior da caixa:
Figura 6
O armazenamento de calor no forno pode ser realizado através da utilização de uma massa térmica no interior da caixa isolada. A existência desta massa térmica implica um pré-aquecimento do forno antes da utilização. Rendimento do sistema é dado da mesma forma que os colectores solares.
Conversão Eléctrica ou Fotovoltaica Fotovoltaicos (FV) são sistemas que aproveitam a energia solar convertendo
directamente radiação solar em electricidade através do efeito fotovoltaico (FV). A incidência de fotões sobre a superfície n cria pares lacuna electrão. Devido ao campo eléctrico da junção p-n os electrões são impelidos a circular pela carga (corrente eléctrica). Os electrões combinam-se com as lacunas na superfície p, que é continuamente regenerada com as lacunas que passam a junção devido ao campo da junção. A tensão da célula deve-se ao efeito de difusão dos portadores na junção p-n. O efeito de difusão e o campo eléctrico da junção neutralizam-se, mantendo um equilíbrio que depende da corrente na carga.
Figura 7
Tipos de células e películas fotovoltaicas (20 anos de garantia)
células de Silício cristalino (monocristalino, policristalino, fita) ≈ 90 % do mercado actual (3 a 6€/Wp), Eficiência 12 a 16 %; Segunda Geração - Tecnologias de Películas finas sobre substratos rígidos de vidro ou cerâmica (silício amorfo, CIS, CIGS, CdTe, GaAs ). ≈ 10% do mercado (2 a 4 €/Wp), Eficiencia 10 a 13%; Terceira Geração - Nanotecnologias para formação de películas finas sobre substratos flexíveis (células orgânicas, termofotovoltaico, rectenas, multi-junção) (<0.5€/Wp), em estudo ainda.
Primeira Geração -
O Sistema Fotovoltaico
Figura 8
É constituído pelos painéis FV um regulador de carga, a devida cablagem, inversores de corrente DC/AC (CC/CA), baterias, conversores DC/DC para alimentar cargas com tensões diferentes da nominal, todas as protecções necessárias e as cargas de consumo.
Vantagens e desvantagens destes sistemas Vantagens
Benignos do ponto de vista ambiental; Modulares e sem partes móveis (sujeitas a desgaste); Inexistência de ruídos ou cheiros; Reduzida exigência de manutenção. Elevado ciclo de vida (20-30 anos no caso do Silício cristalino)
Desvantagens
Elevado custo de instalação; módulos (3-4 €/Wp) e sistemas (6 -12 €/Wp); Rendimento relativamente baixo (10-15%); Reduzida densidade de potência (100-150 W/m2).
