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ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

2379EE2

2º semestre de 2016

Prof. Alceu Ferreira Alves

www.feb.unesp.br/dee/docentes/alceu

2379EE2 Energia Solar FV – Prof. Alceu Ferreira Alves – 2016 2

Energia Solar Fotovoltaica - Panorama brasileiro e mundial - Potencial de utilização - Vantagens e desvantagens.

Conceitos - Radiação, Irradiância, Insolação, Movimentos da Terra, Ângulos, Declinação, Azimute. Células e módulos fotovoltaicosPrincípios da conversão solar-elétrica

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• O Brasil é um dos poucos países no mundo, que recebe luz solar

em período superior a 3000 horas por ano.

• A região Nordeste conta com uma incidência média diária entre 4,5

a 6 kWh.

• O Brasil é um dos países com maior potencial de energia solar do

mundo. Porém, faltam incentivos.

• O primeiro leilão em outubro de 2014, resultou na contratação de

890 MW, e o valor final atingiu R$ 215,12 / MWh.

• O segundo, em agosto de 2015, terminou com a contratação de

833,80 MW, a um valor médio de R$ 301,79 / MWh.

2379EE2 Energia Solar FV – Prof. Alceu Ferreira Alves – 2016

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• Resolução 482/2012 (Aneel), estabeleceu regras para a micro (até

100 kW) e a mini geração (entre 100 kW e 1.000 kW).

• Passou de 8 empreendimentos (de janeiro a março de 2013) para

725 (entre abril e junho de 2015). Deste total, 681 são sistemas

fotovoltaicos

• O Brasil é um dos países com maior potencial de energia solar no

mundo, mas possui apenas 15 MW de capacidade instalada de

energia fotovoltaica.

• A matriz elétrica brasileira possui 135.000 MW de potência

instalada.


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• A Alemanha é um exemplo, 35.500 MW de potência instalada em

centrais fotovoltaicas (superior ao total de usinas termelétricas

instaladas no Brasil, atualmente com 25.919 MW de capacidade

instalada).

• Importante ressaltar que a Alemanha recebe menos da metade da

radiação solar diária em comparação com o Brasil – cerca de

2,5 KWh/m² contra, em média, 5,9 KWh/m² diários do Nordeste

brasileiro.



Energia Solar – histórico• 1839 → Efeito Fotovoltaico (Edmond Becquerel)Relatou o aparecimento de uma diferença de potencial nos terminais deuma célula eletroquímica causada pela absorção de luz.

• 1876 → Física do Estado Sólido.

• 1956 → Microeletrônica – início da produção industrial.Alimentação de sistemas de telecomunicação em localidades remotas.

• 1957 → Corrida Espacial.Sputnik 1 foi o primeiro satélite artificial da Terra, lançado pela UniãoSoviética, sem recarregamento das baterias.Vanguard I (1958) utilizou 6 células solares para captar energia,recarregando uma bateria de mercúrio de 15mW durante 6 anos.


Energia Solar – histórico

• 1978 → Produção da Indústria Fotovoltaica Mundial superou1 MWp/ano.

• 1990 → Estados Unidos liderou a indústria nesta década.

• 1997 → Protocolo de Kyoto.Estabeleceu metas para redução das emissões de CO2, impulsionando aindústria solar, principalmente no Japão e na Alemanha.

• 1973 → Crise do Petróleo.

• 1991 → Projeto 1000 Telhados.Estabeleceu metas expansão da energia solar na Alemanha, tendo atingido2550 telhados com potência total de 6 MWp


Energia Solar – histórico

• 2009 → China assume a liderança da indústria fotovoltaica.

• 1998 → Produção da Indústria Fotovoltaica Mundial atingiu a marcade 150 MWp produzidos (silício predominante).

Energia Solar – Brasil

• Anos 50 → CTA, 1958, I Simpósio Brasileiro de Energia Solar.

• Anos 60 → USP, desenvolvimentos em microeletrônica obtiveramcélulas de silício monocristalino com 12,5% de eficiência.

• Anos 90 → Atrasos tecnológicos em relação ao mundo: GovernoCollor, falta de incentivos à indústria nacional.


• A partir de 2000 → Regulamentações diversas sobre microgeração,geração distribuída, energias alternativas, leilões.

• 1994 → PRODEEM Programa de Desenvolvimento Energético deEstados e Municípios – 8500 Sistemas FV

Energia Solar – Brasil

• 2003 → Luz Para Todos – Prioritariamente no meio rural, tambémcontemplou sistemas fotovoltaicos (BA e MG).

• 2012 → Resolução 482/2012 da ANEEL

• 2015 → Resolução 687/2015 da ANEEL


CARACTERÍSTICAS DO SOL(Material obtido do Manual de Engenharia, CRESESB, 2014)


O SOL• Esfera de gás incandescente

• Núcleo: reações termonucleares, tempe-raturas de até 15x106 K (região maisdensa)

• Zona radiativa – externa ao núcleo

• Zona convectiva – região que recebe aradiação do núcleo e a transfere, porconvecção, à superfície solar

• Fotosfera – primeira região da atmosferasolar, 330km de espessura, T = 5.800 K.

• É a camada visível do Sol

• É a fonte da maior parte da radiaçãovisível que é emitida pelo Sol


O SOL• Cromosfera – não é visível (intensidade

de radiação muito mais baixa),temperaturas entre 4.300 K e 40.000 K,altura de 2.500 km

• Coroa (ou Corona) – camada maisexterna e rarefeita, brilho baixo sóvisível em eclipse

• Reações termonucleares: 4 prótons sãofundidos em um núcleo de Hélioliberando energia


O SOL


Geometria Terra-Sol


Geometria Terra-Sol

• Terra: – movimento anual em torno do Sol com trajetória elíptica

• Inclinação do eixo em relação ao plano normal da elipse: 23,45°

• Inclinação + Translação = estações do ano


Estações do ano (hemisfério Sul)

A palavra equinócio vem do latim:

aequus (igual) + nox (noite)

e significa "noites iguais", ocasiões emque o dia e a noite duram o mesmotempo.


Estações do ano (hemisfério Sul)

A palavra solstício vem do latim:

sol (Sol) + sistere (que não se mexe)

é o momento em que o Sol atinge amaior declinação em latitude, medidaa partir da linha do equador.

Círculo Polar Ártico

Círculo Polar Antártico

Trópico de Capricórnio

Trópico de CâncerEquador

( )


Geometria Terra-Sol

• Declinação: ângulo entre os raios do Sol e o Plano do Equador (δ)

• δ varia entre -23,45° e +23,45°

• Como referência, utiliza-se o sinal positivo ao Norte e negativo ao Sul doEquador

Círculo Polar Ártico

Círculo Polar Antártico

Trópico de Capricórnio

Trópico de CâncerEquador

( )


Geometria Terra-Sol


Medidas de Energia Solar

• Irradiância: taxa na qual a energia solar atinge uma unidade de área (J/s.m2 ≡ W/m2 ≡ W.m–2)Irradiância também é conhecida por radiância

• Radiação: integral da irradiância para um determinado período de tempo (W.h/m2) Radiação também é conhecida por irradiação


Medidas de Energia Solar


Irradiância Extraterrestre

• A irradiância solar que atinge a Terra, no topo da camadaatmosférica, é denominada IRRADIÂNCIA EXTRATERRESTRE.

• Constante Solar (I0) → valor da irradiância extraterrestre que chegasobre uma superfície perpendicular aos raios solares na distânciamédia Terra-Sol

• WRC = World Radiation Center → I0 = 1.367 W/m2


Irradiância Extraterrestre


Irradiância Extraterrestrevariação ao longo do ano:


Irradiância Extraterrestrevariação ao longo do ano:

Equinócio de Primavera22 de setembro (N=266)

= 0

Equinócio de Outono20 de março (N=80)

= 0

Solstício de Verão21 de dezembro (N=356)

= 23,45°

Solstício de Inverno20 de junho (N=172)

= – 23,45°

1,52 x 1011m 1,47 x 1011m

1 AU

1 AU (1,495 x 1011m)

SOL

POLARIS

Periélio3 de janeiro

(N=3)

Afélio4 de julho(N=186)


Ângulos da Geometria Solar


Hora Solar e Hora Oficial

• Hora Solar é definida a partir do ângulo horário (ω)

• Hora Oficial é também chamada de Hora Civil ou Hora do Relógio

• A diferença entre a hora solar média e a hora solar real para umadeterminada data pode atingir +/– 17 minutos, medidos dentro de um cicloanual

• 2 componentes:

a) diferença entre as longitudes do meridiano do observador e domeridiano padrão no qual a hora oficial está baseada.

b) equação do tempo (EOT) – baseada na inclinação do eixo da Terra esua excentricidade da órbita da Terra.



na qual x é um ângulo definido como função do número do dia (N) no

ano Juliano, iniciando por N=1 em primeiro de janeiro, e obedecendo à

Equação:

Este equacionamento, desenvolvido por Woolf (1968) tem uma precisão

de aproximadamente 30 segundos, considerando as horas de luz de um

dia.


Radiação Solar Sobre a Terra

• No topo da atmosfera mede-se a IRRADIÂNCIA EXTRATERRESTRE.

• Constante Solar → I0 = 1.367 W/m2

• Sobre a área projetada da Terra →potência disponível = 174x103 TW (terawatt)

• 46% da irradiância é absorvido ou refletido pela atmosfera

• Dos 54% restantes (da irradiância que incide no topo da atmosfera)→ 47% são absorvidos e 7% são refletidos pela superfície terrestre

• Resultado: cerca de 94 mil TW chegam efetivamente à superfícieterrestre (menos da metade).


Radiação Solar Sobre a Terra

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