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FUNDAO UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
BARBARA BOZZA SANTOLIAGUILHERME MANTOVAN
LUIZ FERNANDO DA ROCHAPOLIANA DOS SANTOS MENDONA
RAFAEL DIAS OLIVEIRA DE ALMEIDATATIANE DE JESUS SILVA
ENERGIA SOLAR: GERAO, DISTRIBUIO E ESTUDO DE EFICINCIA
SANTO ANDR2014
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BARBARA BOZZA SANTOLIAGUILHERME MONTAVAN
LUIZ FERNANDO DA ROCHAPOLIANA DOS SANTOS MENDONA
RAFAEL DIAS OLIVEIRA DE ALMEIDATATIANE DE JESUS SILVA
ENERGIA SOLAR: GERAO, DISTRIBUIO E ESTUDO DE EFICINCIA
Projeto Dirigido apresentado comoexigncia parcial para obteno dograu de Bacharelado em Cincia eTecnologia Universidade Federaldo ABC.
SANTO ANDR2014
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ENERGIA SOLAR: GERAO, DISTRIBUIO E ESTUDO DE EFICINCIA
Projeto Dirigido apresentado como exigncia parcial para obteno do grau de Bacharelado em Cincia e Tecnologia Universidade Federal do ABC.Data:__/__/__
Professora Doutora Ruth Ferreira Santos-Galdurz _____________ (assinatura)Instituio: Universidade Federal do ABC
Professor ____________ (assinatura)Instituio: Universidade Federal do ABC
Professor ____________ (assinatura)Instituio: Universidade Federal do ABC
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SUMRIO
TEMA............................................................................................................................5
OBJETIVO GERAL.......................................................................................................5
HIPTESES GERAIS..................................................................................................5
INTRODUO.............................................................................................................5
ESTUDO 1: ANLISE DA EFICINCIA E O USO DA ENERGIA SOLAR
MUNDIALMENTE........................................................................................................6
ESTUDO 2: COMPARAO DOS TIPOS DE CLULAS SOLRES........................25
ESTUDO 3: EFICINCIA NA TRANSMISSO DE ENERGIA...................................42
ESTUDO 4: SMARTGRIDS: SOLUO INTELIGENTE AGREGADA A PRODUO
RESIDENCIAL DE ENERGIA SOLAR.......................................................................51
ESTUDO 5: ANTENAS INTELIGENTES PARA TRANSMITIR ENERGIA SEM FIO..65
ESTUDO 6: EFICINCIA DA ENERGIA SOLAR E A RELAO COM O NGULO DE
INCIDNCIA DA LUZ SOBRE PLACAS FOTOVOLTAICAS......................................77
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TemaEnergia solar: Gerao, distribuio e estudo de eficincia.
Objetivo geralConverter, produzir e distribuir a energia solar.
Hipteses geraisEnergia advinda do sol pode ser convertida, por alguns materiais, em energia
eltrica e esta, portanto pode ser distribuda sendo suficientemente eficiente para
fazer diferena no suprimento de energia mundial.
IntroduoCom expanso da economia mundial para satisfazer as aspiraes dos pases em
todo o mundo demanda de energia tende cada vez mais aumentar, mesmo sendo
feito grandes esforos para aumentar a eficincia no uso de energia. Dado
adequado apoio as tecnologias para uso da energia renovvel pode-se encontrar
uma forma de se conseguir atender essa demanda, a preos menores que
normalmente so previstos para a energia convencional.
Uma das tecnologias promissoras de gerao de energia renovvel a gerao da
energia eltrica atravs do uso da luz solar (que existe em grande quantidade e de
graa), para que esta converso seja possvel necessrio o uso de clulas
fotovoltaicas.
A tecnologia do uso de clulas solares (ou fotovoltaicas) tem necessidade de ser
aprimorada, pois atualmente a eficincia da converso de luz em energia eltrica em
uma clula fotovoltaica ainda no satisfatria e dispendiosa em curto prazo.
O presente trabalho tem por foco analisar como as tecnologias j existentes podem
ser usadas para otimizar o uso das clulas solares atravs do estudo de: quais
materiais so atualmente os mais eficientes para a converso da energia solar,
localizao e distribuio de como a incidncia solar se d no globo terrestre
observando como cada pas usa essa tecnologia, verificar as tecnologias de
manuteno dos painis solares aps a sua instalao, verificar se a sua distribuio
por um sistema de antenas vivel.
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SUMRIO
ESTUDO 1 - Anlise da Eficcia e o Uso da Energia Solar
Mundialmente...........................................................................................7
RESUMO..................................................................................................7
INTRODUO..........................................................................................8
REVISO DA LITERATURA...................................................................10
JUSTIFICATIVA......................................................................................12
METODOLOGIA.....................................................................................13
1.1 Surgimento das placas fotovoltaicas e seu funcionamento..........15
1.2 Importncia do uso da energia solar e sua
eficcia.......................12
1.3 Uso da energia solar......................................................................19
CONCLUSO.........................................................................................20
BIBLIOGRAFIA.......................................................................................22
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Estudo 1: Anlise da Eficcia e o Uso da Energia Solar Mundialmente
Aluno: Barbara Bozza Santolia RA:11050312
RESUMO
Um estudo feito sobre como a energia solar aproveitada mundialmente, dando
uma breve introduo ao tema explicando como surgiu o efeito fotovoltaico, os
primeiros painis solares e ento, a real utilizao da energia solar.
A energia solar apresenta, como qualquer forma de energia, vantagens e
desvantagens. Sua utilizao depende de vrios fatores como desde a implantao
das placas fotovoltaicas at a transformao da energia obtida em energia eltrica.
O pas que mais utiliza essa forma de energia a china, com 15,6GW de projetos
fotovoltaicos, ultrapassando a Alemanha que se mantinha invicta no topo.
Novas tecnologias esto sendo estudadas para que possa se obter uma maior
aquisio e absoro da radiao solar, para depois ser transformada em energia
eltrica. Como a preservao meio ambiente vem sendo prioridade nos ltimos
anos no polui-lo tem sido tido como primazia.
Palavras chave: energia solar; eficincia; capacidade; energia limpa.
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INTRODUO
Diariamente ouve-se falar nos problemas da sociedade atual como o perigo do fim
da gua potvel, destruio da camada de oznio, aquecimento global,
desmatamento, extino da fauna e tambm na questo da alta demanda
energtica, que algumas vezes no suprida.
Em um passado no muito distante, a dependncia de formas de energia no era
to grande quanto atualmente, e esse cenrio tende a continuar nesse caminho,
visto que o consumo de energia est aumentando rapidamente no mundo todo,
tendo como grande destaque o aumento exorbitante desse consumo nos pases em
desenvolvimento a partir do sculo XXI.
A partir disso surgem questionamentos sobre qual a melhor fonte para se obter
essa energia necessria para os padres de vida atuais, onde os principais fatores
que so levados em considerao nessa escolha so os custos, a viabilidade e os
impactos ambientais. Dentro dessa questo, observa-se que a maior parte da matriz
energtica mundial formada por petrleo, uma fonte de energia no renovvel e
altamente poluente.
Esse fato leva a um questionamento sobre a necessidade de substituir as fontes de
energia atuais por fontes renovveis e mais limpas ambientalmente falando. Essa
questo est ganhando grande importncia nas ltimas dcadas e por conta disso,
alternativas como os biocombustveis esto surgindo e sendo adotadas em diversas
partes do mundo, tanto que, Segundo a Agncia Internacional de Energia (IEA),
dentro de 20 anos, cerca de 30% do consumo de energia ser feita atravs de
fontes renovveis.
O efeito fotovoltaico foi notado pela primeira vez pelo cientista Edmond Becquerel
em 1839. Em seus estudos, percebeu que placas metlicas submersas em um
eletrlito geravam uma diferena de potencial quando expostas luz.
As primeiras placas fotovoltaicas, feitas de selnio, tinham uma eficincia de menos
de 1%, porm, utilizando-se dos processos de purificao e dopagem, surgiu a placa
de silcio. Hoje j se fala em placas foto eletroqumicas que, basicamente, geram
energia eltrica atravs de eletrlise.
Parques solares esto sendo implantados para poder se obter energia luminosa do
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sol que depois dever ser convertida em energia eltrica para que ento possa ser
aproveitada. Como exemplo pode-se citar a Europa, este tipo de gerao de energia
representa hoje 1% de sua matriz energtica. O continente tem como objetivo a
ampliao do uso da tecnologia fotovoltaica para 20% at 2020.
O Brasil j apresenta projetos para tambm implantar parques solares e at fazer
uma associao com as usinas hidreltricas.
A facilidade de instalao deste modo de obteno de energia faz com que possa
ser utilizada nos mais diversos ambientes como em residncias, indstrias,
shoppings e assim segue.
A Energia solar tem um grande potencial, alm do Brasil, nos continente africano,
australiano e europeu central, porm talvez tal forma de energia no esteja sendo
to bem aproveitada, com seu mximo potencial.
Portanto ser realizado um estudo sobre o uso e eficcia da energia solar
mundialmente. Como aproveitada, se realmente auxilia e faz diferena no
suprimento de energia e na demanda energtica.
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Reviso da literatura
Surgimento das primeiras placas fotovoltaicas:
O efeito fotovoltaico foi notado pela primeira vez pelo cientista Edmond Becquerel
em 1839. Em seus estudos, percebeu que placas metlicas submersas em um
eletrlito geravam uma diferena de potencial quando expostas luz.
Em maro de 1953 o qumico Calvin Fuller, em New Jersey desenvolveu uma barra
de silcio dopado com uma pequena quantidade de glio (para torn-lo condutor).
Importncia do uso da energia solar:
Pode-se fazer uma interligao entre o consumo de energia e o desenvolvimento
humano. Aps a Revoluo Industrial a demanda energtica vem aumentando, e
quanto mais desenvolvido o pas, maior ela . Se for continuada a explorao do
planeta afim de se obter energia para suprir tal demanda crescente, muito
brevemente se aproximar um estgio onde o grau dos danos ser irreversvel.
A energia solar vem como uma nova forma de auxiliar no suprimento de energia, por
ser uma energia limpa como elica, biogs, biomassa, e mars, no geram tantos
impactos a meio ambiente.
Eficcia da energia solar:
A obteno da energia solar ocorre de forma direta ou indireta. Na forma direta, a
obteno por meio de clulas fotovoltaicas. A utilizao de energia solar como
fonte de energia possui diversos benefcios, entre eles a no poluio durante seu
uso, a grande potncia dos painis solares, a reduo contnua do custo de
produo desses painis e a viabilidade desse tipo de energia em pases tropicais
devido alta incidncia de luz solar.
H algumas desvantagens em relao a esse tipo de fonte energtica, tal como a
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variao da quantidade de energia produzida de acordo com a situao climtica da
regio, a no produo durante a noite, problemas no armazenamento da energia
solar e o baixo dos painis solares. Logo, ser necessrio mais desenvolvimento e
eficincia para torn-la mais vivel economicamente.
Uma grande promessa para o futuro das clulas fotovoltaicas so as chamadas
clulas fotoeletroqumicas, que se baseiam em eletrlise para gerar energia.
Uso da energia solar:
Apesar da energia solar estar bem difundida na Europa, Estados Unidos, China e
Canad, ainda h um aproveitamento muito pequeno no mundo levando em conta
que Terra recebe 174 petawatts de radiao solar.
Um levantamento divulgado pela Associao Europeia da Indstria Fotovoltaica
indicou que em 2012 a capacidade acumulada de gerao de energia fotovoltaica no
mundo atingiu pouco mais de 102 gigawatts.
Tambm interessante ressaltar que a energia solar esta auxiliando pessoas de
baixa renda a obter energia atravs do uso de sistemas de aquecimento solar
compactos.
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JUSTIFICATIVA
Energias limpas tem sido cada vez mais estudadas e utilizadas, pois de grande
importncia a preservao do planeta onde habitamos e o uso de outras energias
alm de afetar negativamente o planeta correm o risco de se tornarem escassas
prejudicando a populao em geral e causando um caos incalculvel. Como
enfoque, ser baseado como a energia solar esta sendo utilizada no mundo, sua
eficcia e tecnologias para ento analisar se esta sendo aproveitada da melhor
forma.
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METODOLOGIA
Trata-se de um trabalho de pesquisa bibliogrfica usando palavras-chave e termos
como energia solar, eficincia, capacidade, aplicao, energia limpa. Para a
realizao do estudo e pesquisa sero utilizadas fontes como Web of Science,
Scielo, Capes, artigos cientficos e reportagens sobre o uso da energia solar. Esses
arquivos sero analisados, ento um paralelo ser feito com confronto de
informaes, anlise de contedo, o que possibilitar ter uma noo do estado do
uso e aproveitamento da energia solar mundialmente.
1.1 Surgimento das placas fotovoltaicas e seu funcionamento
Na busca por mtodos eficazes e no to agressivos ao meio ambiente, novas
fontes energticas esto sendo estudadas para que possa haver o abastecimento do
planeta sem que haja um nus maior do que benefcios.
Como um exemplo inicial, temos o caso de Juazeiro, na Bahia. Segundo artigo
publicado na Revista Brasileira de Geografia e Fsica, novos mtodos de obteno
esto sendo analisadas para que a populao possa ter acesso energia. A
localizao da regio faz com que haja grande incidncia solar e de ventos. Os
ventos podem chegar a 247,4 km/dia e possvel aproveitar 2285,653 Wh/m de
irradiao solar diariamente. Ento, para a regio, a implementao de energias
como solar e elica so viveis e podem vir a atender as necessidades
populacionais. (SILVA, SEVERO, 2012)
Para dar uma introduo, uma breve linha do tempo para explicar como foi
descoberto o efeito fotovoltaico e, assim, as placas fotovoltaicas:
O primeiro plano coletor de placa solar foi fabricado pelo suo Nicolas de Saussure
formado por uma tampa de vidro e uma placa de metal negro dentro de uma caixa
termicamente isolada. Esta estrutura era utilizada para o cozimento de alimentos.
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O efeito fotovoltaico foi notado pela sua primeira vez pelo cientista Edmond
Becquerel em 1839. Durante seus estudos, pde obervar que placas metlicas
quando submersas em um eletrlito geravam uma diferena de potencial ao serem
expostas luz.
Em 1877, dois inventores norte americanos tendo o conhecimento das propriedades
fotocondutoras do selnio, criaram o um primeiro dipositivo que quando era exposto
luz solar produzia de energia eltrica.
E em maro de 1953 o qumico Calvin Fuller, em New Jersey desenvolveu uma
barra de silcio dopado, e para torn-lo condutor, adicionou uma pequena quantidade
de glio. Pelo fato de as cargas mveis serem positivas, o silcio foi denominado
tipo p. Seu colega, Gerald Pearson, mergulhou a barra de silcio de Fuller em um
banho quente de ltio, criando na superfcie da barra uma regio com eltrons livres,
denominando de silcio tipo n. A regio onde esses dois tipos de silcio entram em
contato, surge um campo eltrico.
Figura 1- Primeira aplicao de uma clula solar de silcio,em Americus, na
Gergia, Estados Unidos da Amrica, em 1955.
Fonte: http://solar.fc.ul.pt/gazeta2006.pdf (2006)
O processo de obteno de energia ocorre quando os ftons (energia que o Sol
carrega), do efeito fotovoltaico, incidem sobre os tomos, causando a emisso de
eltrons que gera corrente eltrica. Na forma indireta, necessria a construo de
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usinas em extensas reas de insolao e, nesses locais, so espalhados diversos
coletores solares.
As clulas fotovoltaicas mais usadas, feitas de silcio, so caras e complicadas de se
produzir. Com o uma forma alternativa a elas, existem as clulas fotoeletroqumicas,
uma segunda gerao das clulas fotovoltaicas que, apesar de no terem o mesmo
rendimento na produo energtica, tem custo bem menos elevado.
As clulas fotoeletroqumicas se baseiam em dispositivos que absorve energia do
espectro solar utilizando um corante, que absorve a radiao, e h a separao de
cargas em um semicondutor, que se for nanoparticulado tem uma melhor eficincia.
O par redox I/I3 completa o circuito.
Figura 2: Funcionamento de uma clula fotoeletroqumica
Fonte: Olhar Nano
1.2 Importncia do uso da energia solar e sua eficcia
A energia solar tem um grande papel como fonte energtica, pois alm de ser
inesgotvel (vide escala de tempo da Terra), no polui o meio ambiente, o que j
de grande importncia para o planeta. No influi no efeito estufa, no precisa de
geradores para que a energia eltrica seja obtida.
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Apesar de ser uma fonte de energia que precisa de grandes investimentos para
poder ser aproveitada, entre 10 e 15 anos toda a aplicao financeira j foi
recuperada, mas tambm h outras implicaes que acabam freando seu
desenvolvimento que seriam a variao da quantidade de energia produzida de
acordo com o clima da regio, a sua no produo durante a noite, problemas no
armazenamento da energia solar quando comparadas aos combustveis fsseis e o
rendimento de apenas 28% (no mximo) pelos painis solares, mas que geralmente
giram em torno de 16%.
Em 2000, o ento secretrio de energia, Bill Richardson, afirmou que [...] fontes
renovveis tero um papel muito maior, mas o mundo vai continuar a usar
quantidades macias de todos os combustveis fsseis [...] o que preocupante, j
que a maior parte dos combustveis fsseis no so renovveis e poluem o meio
ambiente e, apesar do grande avano em pesquisas e aplicaes de energia limpas
e renovveis, a citao do ex. secretrio pode ser confirmada na atualidade.
(Richardson, 2000)
Em 2003, o engenheiro Carlos Arthur de Oliveira Fernandes escreveu em um artigo
publicado na Folha de So Paulo que [...] a curto e mdio prazo, dever aumentar a
explorao direta dessa energia. medida que fica mais caro, mais raro e
politicamente mais invivel queimar combustveis como petrleo e carvo, usar a
"limpa" radiao solar tende a ser uma opo mais sensata e prtica --e a tecnologia
futura de armazenamento de energia poder resolver o problema dos pases que
tm menos dias ensolarados [...]. (FERNANDES, 2000)
De certa forma, o que foi dito pelo engenheiro se aplica tambm, porm ainda no
completamente, pois, apesar de energias vindas de combustveis fsseis estarem se
tonando mais escassas e caras, ainda so as mais utilizadas, junto com derivados
da cana e hidreltricas. O futuro que menciona ainda no o presente.
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Figura 3 Matriz Energtica Brasileira, Anos de 2010 e 2020(%
Fonte: Google Imagens
Fazendo uma anlise, segundo uma projeo feita pela Secretaria do
Planejamento e Desenvolvimento Energtico, em 2020, a maior fonte de energia a
ser utilizada no Brasil ainda ser a do petrleo e derivados e energias renovveis,
apesar de aumentar 1% em 10 anos, ainda no sero significativamente relevantes
perante as demais.
Segundo a Gestora Ambiental Mariana Pedrosa Gonzales, em um artigo publicado
no Jornal da Energia, afirmou que no se deve ter por base investir em energias
mais caras ou mais baratas, [...] mas, sim, por uma fonte que possa contribuir de
forma estratgica e eficiente e em prol da sociedade, da economia e da preservao
do meio ambiente [...]. (Gonzales, 2011, p. 01)
Se compararmos com alguns pases que usam energia fotovoltaica, pode-se notar
que, no Brasil, essa forma de energia no tem grandes investimentos, apesar de o
pas ter grande potencial e rea territorial de alta incidncia solar.
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Figura 4 Matriz Energtica Mundial 2006 - 2030
Fonte: Agncia Internacional de Energia (2008)
Tabela 1 Valores tpicos de implantao de usinas geradoras de energia
Fonte: ANEEL SCG, 2006, NEGRI et AL. (2003)
Se formos analisar a tabela sem um conhecimento prvio, notaremos que o custo
de implantao de placas fotovoltaicas inmeras vezes maior do que, por exemplo,
de termeltricas a diesel ou de pequenas centrais hidreltricas, porm o que no
exposto so os outros gastos que se tem com as demais formas de produo de
energia. Gira em torno de 5 vezes mais os gastos com manuteno e operao de
usinas trmicas e tambm sem levar em conta as despesas gastas com
combustvel, o qual no requisito em sistemas solares. (SHAYANI;
OLIVEIRA;CAMARGO, 2006)
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1.3 Uso da energia solar
A energia hidreltrica uma das mais utilizadas no Brasil e, segundo informaes
obtidas atravs do Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada da USP, a usina
hidreltrica de Itaipu, que possui rea de 1.350km2 produziu 98 TWh de energia em
2008. Nesta mesma rea, incide 2.400 TWh de energia solar/ano. Se for adotada
uma eficincia de 14%, a energia eltrica gerada por esta mesma rea, de 336
TWh (aproximadamente 3,4 vezes maior que a energia gerada por toda Itaipu).
Fotovoltaico - IEE / USP
O governo brasileiro e a Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL), em 2012,
aprovaram uma 2012 uma nova resoluo que apresenta as premissas para que
pequenos proprietrios possam produzir energia solar, e o que ele no vierem a
utilizar ser enviado rede e este produtor/ consumidor receber crditos em sua
conta de luz (em kWh), e ser calculado um balano de consumo versus produo.
(GreenPeace, 2013)
Atualmente o pas que mais investe em energia solar a China, seguida da
Alemanha e Itlia. O Brasil s aparece em dcimo lugar. A China, em 2013, instalou
12GW de projetos fotovoltaicos, totalizando 15,6GW, ultrapassando a Alemanha.
(BARBOSA, 2014)
Investimento em novas tecnologias de painis fotovoltaicos mveis ento sendo
feitos. Basicamente esses painis acompanham a movimentao solar, desta forma,
conseguindo obter uma maior radiao solar, e, consequentemente, uma
temperatura mais elevada e uma maior potncia. (ALVES, 2008)
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Figura 5: Temperatura dos Painis Fotovoltaicos e ambiente (2008)
Fonte: http://www.pg.fca.unesp.br/Teses/PDFs/Arq0343.pdf
No Cear, o engenheiro Fernando Alves Ximenes desenvolveu um carro
quadriflex. Este modelo de carro funciona com gasolina e lcool, como a maioria
dos carros flex, mas tem como inovador o fato de tambm poder se mover com
energias solar e elica. A placa fotovoltaica colocada no teto do automvel para
obter a energia solar e, no caso da energia elica, no para-choque, hlices so
instaladas. O veculo lana 40% menos gs carbnico ao meio ambiente. (CRIPIM,
2014)
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CONCLUSO
notrio que a energia solar est sendo a cada dia mais e melhor aproveitada,
novas tecnologias esto sendo estudadas, desde a construo do painel
fotovoltaico, at a implantao do sistema que a transformar em energia eltrica
para, ento, poder ser utilizada. Porm ainda se est longe de alcanar um patamar
onde toda a capacidade que a radiao solar nos oferece para a obteno de
energia seja aproveitada ao mximo.
sempre colocado como empecilho implantao de painis fotovoltaicos devido
ao seu alto custo, porm, se for visto como uma medida tomada a longo prazo, em
torno de 15 anos, o valor gasto j ter sido recuperado se for analisada a economia
que foi feita com o gasto com energias provindas de meios fsseis.
importante ressaltar que quase no h poluio para com o meio ambiente vinda
da energia solar, que esta energia , se for levado em conta os clculos feitos para o
tempo de vida terrestre, inesgotvel. de fcil acesso e obteno quando j se tem
acesso s placas fotovoltaicas e ao sistema de converso de energia, mas mesmo
assim as energias fsseis ainda so as mais utilizadas mundialmente.
preciso que medidas sejam tomadas para que no se tenha um esgotamento dos
meio fsseis de energia para que no haja um grande desequilbrio ambiental e
econmico tambm. Investir mais em energias limpas necessrio.
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Universidade Federal do ABC
Poliana dos Santos Mendona
Comparao dos tipos de clulas solares
Santo Andr
2014
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Poliana dos Santos Mendona
Comparao das Eficincias das Clulas Solares
Relatrio final, apresentado aUniversidade Federal do ABC, como partedas exigncias para a obteno do ttulode Bacharel em Cincia e Tecnologia.
Orientador: Ruth Ferreira Santos-Galdurz
Local, ____ de _____________ de _____.
Santo Andr
2014
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Sumrio
RESUMO....................................................................................................................27
1 INTRODUO........................................................................................................28
2 REVISO DA LITERATURA....................................................................................29
2.1 CLULAS DE SILCIO CRISTALINO...................................................................29
2.2 CLULAS DE FILME FINO..................................................................................30
2.3 CLULAS SOLARES SENSBILIZADAS POR CORANTE..................................30
2.4 CLULAS SOLARES ORGANICAS.....................................................................31
3 JUSTIFICATIVAS....................................................................................................31
4 METODOLOGIA......................................................................................................31
5 FUNCIONAMENTO DAS CLULAS SOLARES.....................................................32
5.1 CLULAS SOLARES DE SILCIO.......................................................................32
5.2 CLULAS DE FILME FINO..................................................................................34
5.3 CLULAS SOLARES SENSBILIZADAS POR CORANTE..................................35
5.4 CLULAS SOLARES ORGANICAS.....................................................................37
6 COMPARAO DAS DIFERENTES CLULAS E DISCUSSO...........................36
7 CRONOGRAMA......................................................................................................38
8 BIBLIOGRAFIA........................................................................................................39
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ResumoUma pesquisa sobre os diferentes tipos de clula solar bem como os materiais de
que elas so constitudas realizada com a finalidade de que se possa realizar uma
comparao entre suas eficincias e viabilidades de aplicao.
Palavras chaves clula solar, eficincia, materiais.
Abstract A survey of the different solar cell as well as the materials from which they are made
is performed in order that a comparison can be made between their efficiency and
feasibility of application.
Key words - solar cell, efficiency, materials.
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1.Introduo
Desde a descoberta do efeito fotoeltrico pelo francs Edmond Bequerel e posterior
explicao desse fenmeno por Albert Einstein, que os engenheiros e pesquisadores
tinham por objetivo conseguir utilizar esse efeito para poder gerar eletricidade, ou
ento gerar combustveis qumicos. J por volta de 1880 foi construda a primeira
clula solar, e em 1941 foi construda a primeira clula solar feita de silcio,
construda por Russel Ohl.
Uma clula solar converte luz em energia eltrica atravs do efeito fotoeltrico.
O efeito fotoeltrico consiste em fornecer energia a um eltron da camada de
valncia de um metal, onde essa energia suficiente para que o eltron consiga
escapar do seu respectivo tomo. Esses eltrons livres ento geram a corrente
eltrica. (Mario et al.2008, p.31)O material mais utilizado nas clulas solares o
silcio, apesar do silcio no ser o material ideal para converso fotovoltaica a
principal razo do uso do silcio em clulas fotovoltaicas que a tecnologia do silcio
de alta pureza j era dominada e produzida em larga escala anteriormente ao
advento da tecnologia fotovoltaica, por causa da indstria eletrnica. (Goetzberger et
al.2002,p.2)
Alm do silcio existem clulas que so constitudas tambm de Cobre-ndio-Glio-
Selnio (GIGS), existem tambm as clulas orgnicas, e as clulas solares
sensibilizadas por corante que sero detalhadas adianteApesar de a energia solar
no mundo crescer em ritmo acelerado aproximadamente 50% por ano, a sua
presena na matriz energtica mundial ainda de apenas 1% - sendo que no Brasil
de apenas 0,01%. Segundo a Agncia Internacional de Energia, a gerao
fotovoltaica em 2011 atingiu ao equivalente a cinco hidreltricas de Itaipu. Para que
essa energia possa ter uma maior participao na matriz mundial se faz necessrio
diminuir o custo da sua fabricao e o custo dos seus materiais. Portanto o
investimento em pesquisa nesta rea se torna muito importante, alm de ser
importante tambm que ocorra em paralelo a comparao entre o custo-benefcio
das clulas solares que so desenvolvidas para que dessa forma o desenvolvimento
das mesmas tenha uma melhor orientao.
A origem do desenvolvimento das pesquisas nesta rea advm da crescente
29
-
conscincia da necessidade de novas fontes de energia que gerem um menor
impacto ambiental e que ao mesmo tempo consiga suprir a crescente demanda do
consumo direto por energia bem como os benefcios indiretos gerados por ela.
2. Reviso da literatura
2.1- Clulas de silcio cristalino
A primeira clula solar de silcio foi desenvolvida no Bell Laboratories em 1954 por
Chapin et Al. Inicialmente com uma eficincia de 6% que rapidamente cresceu para
10%.(Goetzberger et al.2002,p.2)
Dentre as clulas solares comerciais as de silcio possuem participao de 90% do
mercado de clulas. (VASCONCELO Y, 2013, p.74) Muito se tem trabalhado para
melhorar a eficincia dessas clulas. Hoje, esto disponveis clulas de silcio
cristalino que podem ser de monocristais, policristais, e de cristal amorfo.
As clulas fotovoltaicas a base de silcio monocristalino so assim chamados por
possuir uma estrutura homognea em toda sua extenso.
Para a fabricao de uma clula fotovoltaica monocristalina necessrio que o
silcio tenha 99,9999% de grau de pureza, para que assim apresentem um melhor
desempenho quando comparadas as outras estruturas, mas por causa da alta
pureza o processo acaba por ficar mais dispendioso encarecendo o custo final da
clula. (Anlise da Insero da Gerao Solar na Matriz Eltrica Brasileira,2012, p.4)
As clulas policristalinas possuem um processo de produo que demanda um custo
menor,mas por outro lado, estas apresentam uma menor eficincia na converso da
luz solar em energia eltrica quando comparada s clulas monocristalinas.
J as clulas amorfas so fabricadas atravs da deposio de camadas muito finas
de silcio sobre superfcie de vidro ou metal. Por realizar uma absoro da luz solar
na regio do visvel e ser fabricado atravs da deposio diversos substratos
apresenta um custo reduzido na sua produo, mas o seu desempenho fica abaixo
30
-
das outras duas clulas j anteriormente apresentadas. (NIEDZIALKOSKI,2013,
p.21)
Tabela 1 Eficincias j reportadas das clulas de silcio amorfas multi e
policristalinas. (Dewangan et al.2012 p.1)
Tipo da clula solar Eficincia (%) Laboratrio/InstituioSi cristalino 24,7 University of New south
WalesSi multicristalino 20,3 Fraunhofer Institute of
solar energy systemSi Amorfo 10,1 Kaneka
2.2- Clulas de Filme fino
So clulas que tem como base o silcio amorfo onde so depositadas camadas
finas de outros elementos semicondutores como o Arseneto de Glio (GaAs), o
dissulfeto de cobre e ndio, Telureto de Cdmio (CdTe).
Estas clulas surgiram da necessidade de diminuir o custo das clulas feitas
somente de silcio e de inicio eram usadas apenas em calculadoras portteis e
pequenos equipamentos eletrnicos, mas devido ao desenvolvimento da rea de
engenharia de materiais,foi possvel o desenvolvimento de novos tipos de clulas de
filmes finos e sua aplicao em gerao de energia em mdia e grande escala.
Possuem uma participao no mercado de 10% e podem alcanar uma eficincia
de 18,8 %.(VASCONCELO Y, 2013, p.74)
2.3 Clulas solares sensibilizadas por corante.
As clulas solares sensibilizadas por corante ou do ingls DSSC (dye sensitized
solar cell) Possuem um mecanismo de funcionamento um pouco diferente das
clulas de silcio, foram desenvolvidas no incio dos anos 90 por Michel Gratzel e
colaboradores do Swiss Federal Institute of Technology.
O mecanismo dessa clula baseada no princpio da reao de xido-reduo e
so construdas entre dois vidros que contm um eletrlito,um lquido condutor,
nesse caso em geral feito de sal de iodo e as clulas so recobertas por um
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-
corante, onde este ento absorve a luz solar.
Esse tipo de clula vem sendo constantemente desenvolvida e sua eficincia vem
apresentando uma constante evoluo desde que o primeiro artigo sobre esse tipo
de clula foi publicado em 1991, at inicio de 2014 a sua eficincia evoluiu de 7%
para os atuais 13%.( Gratzel et al.2014 p. 246)
Apesar do aumento da eficincia apresentado desde a sua descoberta esse tipo de
clula ainda no est disponvel para fabricao em larga escala.
2.4 Clulas solares orgnicas.
Estas clulas possuem esse nome porque usam materiais semicondutores base
de carbono, esses semicondutores so geralmente constitudas por um polmero
condutor e um material receptor de eltrons.
A eficincia desses dispositivos ainda limitada devido baixa absoro de luz pela
e a baixa mobilidade dos transportadores de cargas dentro da clula, mas suas
principais vantagens so a sua flexibilidade e o seu custo de produo que mais
baixo quando comparado com as outras clulas.
A eficincia alcanada por este tipo de clula at o ano de 2013 foi de 10%.
3-Justificativa
Grande potencial do uso da energia solar, menor impacto ambiental, portanto torna-
se importante o desenvolvimento de clulas solares para aplicao comercial.
4-Metodologia
A metodologia neste projeto ser realizada por meio de reviso da literatura
encontrada em livros e em artigos disponveis em sites como o Web of Science,
Nature, Elsevier, biblioteca virtual da USP.
Atravs da reviso da literatura ser levantado dados j existentes para que dessa
forma se possa comparar quais so os possveis materiais que propiciam uma
melhor eficincia para a clula solar.
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-
5 Funcionamento das clulas solares
Apesar das clulas solares possurem um princpio em comum cada uma tem sua
particularidade de funcionamento.
5.1- Clulas solares de silcio
O xido de silcio para ser usado na clula solar transformado atravs de mtodos
adequados a fim de se obter o silcio na forma pura, mas como o silcio na sua forma
pura um mal condutor de eletricidade, este ento passa por um processo de
dopagem, nesse processo adicionado na estrutura do cristal de silcio tomos
como o fsforo ou como o como o Boro, no caso da dopagem com tomos de
fsforo se obtm o silcio do tipo N (silcio com eltrons livres) e no caso da
dopagem com boro se obtm o silcio do tipo P (silcio com falta de eltrons, ou
material com cargas positivas livres).
Ambos os tipos de silcio (tipo N e tipo P) so utilizados na estrutura de uma clula
solar, alm das camadas de silcios outros materiais compem a clula como
mostra a figura abaixo:
Figura 1 Exemplo de estrutura de uma clula fotovoltaca de silcio
Fonte: Google imagens.
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Quando a camada de silcio tipo-n e silcio tipo-p so colocadas em contato e esse
contato exposto a luz solar, os eltrons livres de silcio tipo N ganham energia e se
movimentam em direo a preencher os vazios da estrutura de silcio tipo p.Por
meio de um condutor externo, ligando a camada p a camada n, gerado uma
(corrente eltrica).
5.2 Clulas de Filme Fino
Estas clulas so obtidas por meio da deposio de camadas muito finas de silcio
amorfo (a-Si) ou outros materiais semicondutores sobre superfcies de vidro ou
metal.
Estas clulas se diferenciam das de outras tecnologias pela espessura das lminas
de material semicondutor utilizado em suas estruturas (geralmente na faixa de
1m ).
Um xido de algum metal semicondutor tipo p depositado no contato frontal, esta
camada ento forma uma baixa resistncia ao fluxo de eltrons.
Um outro semicondutor chamado de intrnseco aplicado na clula para gerar um
forte campo eltrico .Este campo eltrico aplicado para melhorar o transporte de
cargas entre as junes, caso fosse utilizado apenas materiais tipo p e n a eficincia
seria muito baixa neste tipo de clula.
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-
Figura 2 Estrutura simplificada de uma clula fotovoltaica de filme fino.
Fonte: Google imagens.
5.3 Clulas solar sensibilizada por corante
As clulas sensibilidades por corantes so constitudos por um fotoanodo e um
contraeletrodo.
O fotoanodo constitudo da seguinte maneira: uma superfcie recoberta por TiO2,
onde este ento passa por um processo chamado de sinterizao ao qual o TiO2
ento incorporado a superfcie do substrato, aps este processo depositada sob a
sua superfcie o corante sensibilizador.O contra eletrodo constitudo por um vidro
condutor recoberto com uma fina camada de catalisador.Entre os dois eletrodos
existe uma camada de mediador , este serve para regenerar o corante que
oxidado e tambm para fechar circuito eltrico.
Quando a clula sensibilizada por corante irradia pela luz solar ocorre a absoro
da luz pelo corante, os eltrons do corante ento so excitados para um estado
energeticamente maior, sendo que esta energia suficiente para que ocorra a
injeo destes eltrons na banda de conduo do semicondutor, logo aps a injeo
destes eltrons o corante retorna ao estado fundamental mas na sua forma oxidada,
j eltron que foi injetado na banda do semicondutor conduzido ao circuito
externo.
O mediador tem o papel de reduzir o corante que foi inicialmente oxidado, sendo
este posteriormente reduzido no contra eletrodo fechando o circuito.
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Figura 3 Estrutura de uma clula solar sensibilizada por corante.
Fonte: ANDRADE O,M,L.Sntese e Caracterizao de Compostos de Cobalto para
Mediadores de Clulas Solares Sensibilizadas por Corantes
5.4 Clulas solares polimricas orgnicas.
A converso da luz em energia eltrica nas clulas orgnicas tem a seguinte
sequncia: absoro do fton,difuso do xciton (quasepartcula formada por um
eltron e um "buraco" ligados atravs da interao coulombiana), transporte de
cargas.
A absoro do fton se inicia quando a luz incide na clula e os ftons de energia
promovem a formao dos xcitons. Os compostos em clulas orgnicas possuem
eltrons deslocalizados, estes eltrons so excitados pela luz que ento passam
do orbital molecular mais alto ocupado para orbital molecular no ocupado mais
baixo formando uma par eltron-buraco. O comprimento de luz que pode ser
absorvido pelo material definido pela diferena de energia dos orbitais descritos
anteriormente.
Posteriormente a formao do xciton necessrio que este seja separado em
cargas positivas e negativas para que haja a criao de fotocorrente.Esta separao
de cargas ocorre no lado oposto do semicondutor onde o xciton formado, para
isso seu comprimento de difuso deve ser pelo menos igual espessura da camada
do semicondutor, porque caso no seja os xcitons se recombinam e no
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-
contribuem para a formao da corrente eltrica. Alm dessa condio existe
tambm o fator de que as a dissociao dos xcitons e as cargas geradas
necessitam ser transportadas para os eletrodos dentro do seu tempo de vida til,
para isso gerado um forte campo eltrico que gerado devido afinidade
eletrnica dos materiais dos eletrodos.
Caso as condies citadas acima ocorram finalmente o transporte de cargas ocorre
e assim possvel gerar a corrente eltrica pela clula solar.
Figura 5 Esquema representativo de uma clula solar orgnica
Fonte:Google imagens
6- Comparao das diferentes clulas e discusso
Como descrito nesse trabalho h vrios tipos de clulas fotovoltaicas e diferentes
materiais dos quais elas so constitudas, apesar do mecanismo ser parecido (usar
o efeito fotoeltrico para iniciar a movimentao dos eltrons) algumas clulas so
mais eficientes que outras, como o caso da clula de silcio que se comparada
com as demais a que melhor desempenho possu,mas apesar disso a tecnologia
das clulas fotovoltaicas no acessvel pois seu custo ainda muito elevado, por
isso outros fatores so considerados no desenvolvimento das clulas fotovoltaicas
como por exemplo o custo de produo das clulas, disponibilidade dos materiais,
impacto ambiental, viabilidade de construo em larga escala.
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A tabela abaixo utiliza esses critrios para comparar os diferentes tipos de clulas
fotovoltaicas.
Tipos declulas
fotovoltacas
Custo domaterial
paraconstruo
da clula
Eficincia
Disponvelpara
produoem largaescala
Disponibilidadedos recursos
Impactoambiental
Disponvelpara
produoem largaescala
Clula de silcio Alto 24,7 %
Sim.Participaode 90% domercado de
clulassolares.
Escasso devidoa utilizao do
silcio naindstria
eletrnica.
No Sim.Participao de 90%
do mercadode clulassolares.
Clula de filme fino Mdio 18%
SimParticipaode 10% domercado de
clulassolares
Alguns materiaisutilizados so
de difcildisponibilidadecomo Cd,Te.
Sim SimParticipao de 10%
do mercadode clulas
solaresClula orgnica ou polimrica
Baixo10% No
Materiais comboa
disponibilidade
NoNo
Clula sensibilizada por corante
Baixo 13% NoMateriais com
boadisponibilidade
NoNo
abela 2 Comparao entre o tipos de clulas fotovoltaicas.
Levando-se em considerao os critrios da tabela acima, pode-se verificar do
porque a clula solar de silcio ainda ser a mais utilizada para a fabricao dos
painis fotovoltaicos, apesar do alto custo a que apresenta uma melhor eficincia e
possu possibilidade de produo em larga escala, apesar da clula solar de filme
fino tambm ter disponibilidade para a produo industrial esta no apresenta um
bom desempenho como a clula solar de silcio, alm do fato de gerar impacto
ambiental devido aos metais pesados utilizados na sua estrutura.
As outras duas clulas fotovoltaicas no so possveis ainda de serem competitivas
no mercado justamente porque ainda no so viveis de serem produzidas em
escala industrial, indicando a importncia da continuidade no investimento em
pesquisas para o melhoramento destes dispositivos, bem como o desenvolvimento
de mtodos para produo em escala industrial.Ao compararmos as eficincias e os
seus benefcios elas podem contribuir bastante para a ampliao do uso das clulas
solares na gerao de energia.
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7-CronogramaDatas Planejamento12/03 Incio da definio do tema do projeto19/03 Definio do tema do projeto26/03 Pesquisa bibliogrfica02/04 Pesquisa bibliogrfica e definio da
metodologia09/04 Formatao dos elementos pr-textuais,
Textuais / Como escrever o projeto:Elementos Ps-textuais e Definio de
normas como ABNT23/04 Continuao da pesquisa sobre o tema30/04 Continuao da pesquisa sobre o tema07/05 Continuao da pesquisa sobre o tema e
formatao do trabalho14/05 Continuao da pesquisa sobre o tema e
formatao do trabalho21/05 Formatao do trabalho na forma final30/05 Entrega do projeto pronto
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-
8-Bibliografia
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http://solar.smps.us/solar-cell-efficiency acessado em 19/05/2014 s 15:30
41
-
Estudo 3: Anlise das Vantagens de Transmisso de Energia Sem FiosAluno: Luiz Fernando da Rocha RA:11068109
1. RESUMO
Um estudo feito sobre a transmisso de energia, buscando encontrar uma maneira
que torne a propagao o mais perto de transportar tudo que foi gerado ou ao
menos reduzir as perdas pelas transformaes que essa energia sofre. Observando
as vantagens e desvantagens nos mtodos utilizados, pode ser observado que a
transmisso de energia sem fio, no s seria capaz de alcanar nveis acima dos
90% de eficincia, assim como levar a patamares onde no seria necessria a
utilizao de baterias para objetos eletrnicos portteis. As duas maiores vantagens
da transmisso de energia sem fio seriam a utilizao de pontos transmissores, sem
a necessidade de fios passando por todos os lugares o que reduz a perda no
aquecimento deles e tambm a reduo ou at mesmo excluso das baterias, j que
no teria motivos para que segurassem cargas por muito tempo.
Palavras Chaves: Witricidade, Transferncia de Energia Sem Fio;
2. ABSTRACT
A study on the transmission of energy, trying to find a way that makes the most
propagating close to transport everything that was generated or at least reduce the
losses by the transformations that energy suffers. Looking the advantages and
disadvantages in the methods used, it can be seen that the transmission of wireless
power would not only be able to reach levels above 90% efficiency, as well as lead to
levels where not to use batteries would be needed for electronic objects portable.
Furthermore, the two main advantages of wireless power transmission using
transmitters would points without the need for wires running everywhere which
reduces the heat loss in them and also the reduction or even exclusion of batteries,
since would have no reason to hold charges for long.
KEY WORDS: Witricity, Wireless Energy Transfer;
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-
3. INTRODUO
Atualmente com a constante evoluo dos aparelhos eletrnicos consumindo cada
vez mais energia devido aos seus milhares de recursos, acompanhados da
necessidade de recargas cada vez mais freqentes e at mesmo vrias vezes ao
dia, ficamos escravos de fios e tomadas.
Uma possvel soluo para este problema seria tornar essas recargas ou
alimentao desses aparelhos sem a necessidade de fios conectados a eles, com
isso surgiu uma tecnologia chamada Witricity [12] que por definio, a
transmisso de energia de uma fonte de potncia para qualquer sistema eltrico
sem a necessidade de fios. Embora parea uma coisa inovadora e recente, foi com
Nikola Tesla no fim do sculo XIX, que se observou a possibilidade deste mtodo
acendendo uma lmpada, durante o Worlds Columbian Exposition.
Outra vantagem da witricity, o fato de que os receptores dessa energia so
menores do que um sistema gerador, como por exemplo uma placa fotovoltaica.
Uma placa que absorva energia solar e transforme isso em energia eltrica para
alimentar pequenos objetos, por exemplo, alm de necessitar a exposio deste ao
sol aumentaria o peso, diminuindo sua ergonomia e encareceria o preo do mesmo.
Assim pensar em micro-receptores para witricity, nos leva a idia de grandes placas
absorvendo energia solar e transformando em eltrica e transmitindo para esses
pequenos objetos, evitando a necessidade de tomadas ou fios, aproveitando
energia limpa [5].
Sendo assim este estudo buscou entender e compreender melhor a witricity para
sua aplicao e melhor ergonomia dos aparelhos usados hoje em dia em
combinao com placas solares para melhor aproveitamento desta fonte de energia.
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4. JUSTIFICATIVA
A energia pode ser transmitida atravs de vrios mecanismos, no entanto sempre h
perdas na transformao dessa energia, buscar aparelhos que evitem a perda na
emisso e na recepo dessa energia transmitida e no meio em que ela se
propaga, levou at witricity, que se torna a mais vivel uma vez que no h perdas
pelo meio de transmisso, no entanto os estudos nessa rea revelam que a
distncia para a qual pode ser transferida curta quando se tem muita energia ou
curta com pouca energia.
5. Objetivo Especfico
Estudar as maneiras que permitam transmitir a energia pelo ar (sem fios) uma vez
que dessa maneira se reduzem as perdas por condutores, deixando a eficincia
apenas na converso dos emissores de energia e transmisso e a distncia entre
emissor e receptor.
6. Reviso da literatura
Introduo Histrica
Ao final do sculo XIX, Nikola Tesla mostrou ser possvel a transmisso de energia
eltrica sem a necessidade de condutores. No anos seguintes ele dedicou seu
tempo na propagao de energia sem fio usando a ressonncia da terra, construindo
uma torre para tal estudo.
Posteriormente, em 1964, Willian C. Brown foi capaz de criar um helicptero capaz
de voar sem combustvel, mas alimentado por um feixe de micro-ondas. Mais
adiante, em 1975, ele ainda conseguiu enviar um feixe de micro-ondas por uma
distncia de 1,6km e convertido para uma corrente contnua com eficincia de 84%.
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Induo Magntica
A induo magntica um mtodo de transferncia de energia sem fios, essa
transferncia de energia ocorre por incorporao magntica pela Lei de Faraday. O
funcionamento se deve a uma parte do equipamento, chamado de primrio, que
recebe uma corrente alternada, dando origem a um campo magntico varivel, cujo
fluxo ao circular um ncleo ferromagntico induz uma fora eletromotriz na outra
parte, chamada de secundrio.
Acoplamento Indutivo Ressonante
Como descrito em alguns artigos, a maneira mais fcil de entender este mtodo
por sua analogia a uma pessoa que salta em um trampolim. O trampolim por possuir
uma energia mecnica ressoante ao ser pressionado pelas pernas da pessoa, esta
adquire esta energia podendo assim saltar mais alto. Desta forma como se um
dispositivo captasse a energia que vem de outro dispositivo e o intensifica com sua
prpria energia.
Micro-ondas
Microondas so ondas eletromagnticas de alta freqncia, como as de rdio. Este
se origina de um transformador, em uma tenso fixa e gera ondas eletromagnticas,
assim atravs de antenas direcionais, pode se transmitir energia por dezenas de
quilmetros.
Feixe Laser
Tambm possvel, converter a eletricidade, em um feixe laser mirado em um ponto
receptor constitudo por clulas fotovoltaicas. A eficincia de clulas deste tipo tem
aumentado gradualmente com o tempo. O custo de aquisio das clulas
fotovoltaicas e do laser ainda bastante elevado. A transmisso depende de vrios
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fatores, como a divergncia do feixe laser, a intensidade ptica usada, a sua
aplicabilidade, etc., variando por isso a distncia percorrida.
Eficincia dos Mtodos
Considerando os trs mtodos utilizados e suas tecnologias envolvidas, pode-se
determinar que o uso deles tem aplicaes diferentes, uma vez que cada um deles
alcana uma eficincia e uma distncia de transmisso, como no grfico abaixo:
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7. METODOLOGIA
Este trabalho teve foco em compreender as transformaes necessrias e todas as
possibilidades e aplicaes da transmisso de energia sem fio atravs da pesquisa
bibliogrfica usando palavras-chave e termos como witricidade, transmisso de
energia, transmisso sem fio, converso eletricidade em sinal para wireless.
Para a realizao do estudo e pesquisa foram utilizadas fontes como Web of
Science, Scielo, Capes e artigos cientficos. Visando buscar uma maneira de
apresentar uma resposta quanto ao uso deste mtodo de propagao de energia
eltrica.
Enfim, o estudo baseou-se apenas no entendimento de artigos que por sua vez,
continham todas informaes necessrias para a escrita deste trabalho.
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8. CONCLUSO
Atravs dos estudos pode-se concluir que os estudos nessa rea de
transmisso esto a muito tempo sendo realizados, porm sem muitos resultados
satisfatrios, uma vez que ou voc tem muita energia sendo transmitida a pequenas
distncias, o que atenderia uma residncia, ou voc tem pouca energia sendo
levada a cada vez mais longe, o que atenderia talvez reas de difcil acesso para
conduo de energia como casas de campo muito distantes das zonas urbanas.
48
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[13] YU, X.; SANDHU, S.; BEIKER, S.; SASSOON, R.; FAN, S. Wireless energy
transfer with the presence of metallic planes. Applied Physics Letters. v. 99. doi:
10.1063/1.3663576 . 2011.
[14] ZHU, C.; YU, C.; LIU, K.; MA, R. Research on the topology of wireless energy
transfer device. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Harbin, China, 3-5.
Set. 2008.
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Estudo 4: SmartGrids: Soluo inteligente agregada a produo residencial de Energia Solar
Aluno: Guilherme Mantovan RA: 21032012
RESUMO
O artigo conta com o agrupamento, ou a combinao, de duas tecnologias na
distribuio e gerao de energia. Aqui as duas tcnicas colaboram-se em escala
residencial. Visando a melhoria numa escala maior, sendo assim, economia para o
consumidor final e investimento e desenvolvimento de uma concessionria.
Parte-se do menor para o grande, em que a qualidade dessa energia e a
maior garantia de fornecimento so duas das mais importantes vantagens dessa
combinao.
1. INTRODUO
A energia eltrica sem duvidas uma das maiores descobertas da histria do
homem e sendo praticamente a base da vida humana na atualidade. Com mais
tecnologias aparecendo na gerao de energia, consequentemente, maior o
consumo residencial. H poucas dcadas as casas possuam poucos aparelhos
eletroeletrnicos, por exemplo, somente geladeira e rdio em sua maioria. Nos dias
atuais as casas so equipadas com dezenas e mais dezenas de aparelhos que
necessitam de energia eltrica para seu funcionamento. Para que a energia eltrica
chegue at as residncias so necessrias redes de transmisso de energia eltrica,
que muitas vezes so obsoletas e sofrem muitos danos a estrutura.
Muitas das redes eltricas presentes nas cidades no foram pensadas de
maneira eficiente e mantem a mesma malha de fios h muito tempo. Problemas de
sobrecarga ou problemas causados por acidentes da natureza e intemperes so os
mais comuns e de grave impacto para os consumidores. Por muitas vezes esses
podem ficar horas ou at dias sem receberem a eletricidade em suas casas. Com a
demanda aumentando exponencialmente a necessidade de consumir de maneira
mais inteligente ou at mesmo diminuir o consumo energtico faz com que novos
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conceitos e tecnologias comecem a ser estudados e testados.
Dentre essas esta a smartgrid que em traduo livre rede inteligente, o
que a define de maneira simples e completa. At 2015, essa nova rede j ser
implantada na cidade de Barueri SP para testes e abastecera cerca de 250 mil
habitantes. A iniciativa de uma parceria da AES Eletropaulo com a USP/Enerq,
coordenadora do Ncleo de Apoio Pesquisa de Redes Inteligentes da USP;
Sinapsis Inovao em Energia, empresa de base tecnolgica especializada em
redes inteligentes e a FITEC, fundao especializada em projetos de
telecomunicaes e energia.
Com seu sistema automatizado por toda a extenso da malha de fios, uma
pane local facilmente contornada, literalmente. Ou seja, se uma pequena regio
sofre pane, a conduo da energia transferida para caminhos alternativos que no
foram atingidos. Assim, a energia no cortada em grandes regies, ficando
isoladas a somente o foco do problema. Alm da maleabilidade de conduo, a
automatizao facilita a identificao do problema agilizando a companhia eltrica a
resolver de maneira mais eficaz o problema.
A smartgrid, alm de transmitir de maneira mais eficiente, pode garantir ao
consumidor residencial economia na conta de energia eltrica no final do ms,
graas a troca que o cliente faz com a companhia. Em que, com a instalao de
placas solares a residncia armazena energia eltrica e a coloca na rede para outras
casas. Com isso o consumidor vende sua produo de energia e recebe como
descontos na conta de consumo. Com essa tecnologia bidirecional possvel
garantir melhor distribuio e ainda poder identificar de maneira mais rpida
qualquer erro na rede para ser solucionado.
1.1. REVISO DA LITERATURA
Em 2008 a tecnologia comea a ganhar mais destaque como descrito por Brown.
Muitas tecnologias aparecem, ganham notoriedade e aos poucos so integrados ao
dia-a-dia e ganhando cada vez mais utilidade. Em contra ponto, algumas tecnologias
aparecem e do o que falar, porm em seguida so substitudas por algo maior. O
Electric Power Research Institute em 2001 criou o IntelliGrid, projeto destinado a
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criao, integrao e aplicao de uma nova infra estrutura eltrica capaz de
aumentar a qualidade, porm de maneira econmica e mais inteligente no
fornecimento de energia eltrica.
Mais recentemente, j no se discute se essa tecnologia seria vivel ou se
realmente agregaria impactos positivos, mas sim, discute-se qual a melhor maneira
de se implantar e quais tecnologias em conjunto com a Smart Grid podem ser
usadas. Como exemplo a gerao de energia eltrica residencial para abastecer sua
prpria casa em conjunto com a rede eltrica de distribuio de alguma companhia.
E adoo de sistemas de injeo de energia eltrica na rede a partir das residncias
se a produo residencial no consumir toda a produo.
2. JUSTIFICATIVA
Todos ns sabemos que a demanda de energia necessria para abastecer as
residncias aumentam ano aps ano. E baseando-se a partir disso, temos que
desenvolver e investir em tecnologias que aumentem a produo ou que at mesmo,
economize-a de maneira inteligente.
Produes alternativas e limpas de energia eltrica j so possvel, porm, no
acessvel a toda populao. Portanto, o uso de energia solar na gerao residencial
um ponto importante e cada vez mais barato. Com a SmartGrid, isso se aproxima
ainda mais da realidade substituindo ou implementando as atuais placas solares
usados em residncia que na maioria das vezes para somente o aquecimento de
gua, para tambm servir na gerao de energia eltrica pronta para o uso.
Associando as duas tecnologias vantajoso tanto para o cliente final, quanto para
as concessionrias.
3. METODOLOGIA
O trabalho tem como sua base de fonte de dados uma pesquisa bibliogrfica em
textos e artigos cientficos, alm de balanos nacionais e internacionais energticos
e ainda algumas leis ou reportagens. Foram consultados textos de datao desde
2003 at os dias mais atuais como exemplo o Smart Grid Communications:
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Overview of Research Challenges, Solutions, and Standardization Activities de
2013. Vrios dos textos selecionados foram publicados pela IEEE em suas
conferncias pelo mundo.
Algumas as palavras chaves mais comuns usadas na pesquisa foram
smartgrids, smartgrids brasil, balano energtico, smartgrids energia solar,
dentre outras. Os dados e textos coletados foram analisados e comparados com
outros textos de mesmo tema. No fim, por meio de interpretaes podemos chegar a
um cenrio atual e projetar um estado futuro nessa rea.
3.1. Cenrio Atual Brasileiro e Primeiros Passos da SmartGrid
A possibilidade de alterar a forma de distribuio animadora e inspirou muitos em
seus estudos. Atualmente, no Brasil, j existem cidades como Barueri que
comearam a implantar o sistema de SmartGrid como a principal forma de
distribuio de eletricidade na cidade. Com investimento de cerca de R$70mi pela
AES Eletropaulo, o projeto esta em testes ainda e em fase de implantao, prevista
para beneficiar todos os habitantes da cidade at 2015.
Esse o maior investimento no seguimento no pas, porm, no foi o pioneiro. Com
a insero da AES Eletropaulo na disputa pela tecnologia, o andamento de
investimentos e crescimento da tecnologia em terras brasileiras ter maior viso e
consequentemente mais agilidade. A primeira cidade a receber esse sistema, foi a
de Aparecida pela concessionria portuguesa EDP. Uma cidade com 35 mil
habitantes e que a substituio dos medidores analgicos por digitais, cobriu cerca
de 13 mil habitantes da cidade em 2011.
At abril do presente ano, foi prometida pela Cemig a implantao da rede
inteligente na regio da cidade de Sete Lagoas, vizinha da capital do estado de
Minas Gerais.
Para o investimento da AES Eletropaulo, metade do dinheiro investido,
aproximadamente R$31mi, veio de percentual de sua receita lquida. Uma obrigao
determinada pela Agncia Nacional de Energia Eltrica em que obrigatrio o
investimento em desenvolvimento de pesquisa. A outra parcela do dinheiro provm
de investimento espontneo da empresa.
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Em 7 de agosto de 2012, a Agncia Nacional de Energia Eltrica, ANEEL, aprovou
uma resoluo que regulamenta para consumidores do Grupo B (residencial, rural e
demais classes, exceto baixa renda e iluminao pblica) os requisitos bsicos para
os sistemas de medio eletrnica de energia eltrica.
3.2. SmartGrid e os Leitores Residenciais Bidirecionais
Com o surgimento dessa tecnologia, consequentemente os aparelhos e leitores
atuais no conseguiriam acompanhar ou at mesmo continuar fazendo medies.
Ento, para a rede inteligente novos dispositivos de leitura digital foram criados.
Esses leitores ainda possuem uma capacidade bidirecional de transmisso de dados
e energia.
Colocando em uso os novos aparelhos, o acompanhamento de tenso da rede e
focos de pico de energia e alta potncia so facilmente identificados pela companhia
distribuidora. E ainda, com o avano nas tecnologias de micro gerao e micro
armazenamento de energia, como exemplo os novos carros eltricos. Em pases
que a tarifao de energia eltrica se baseia na oferta e demanda clientes deixam
seus carros carregando durante a madrugada, em que a tarifa mais barata e
quando chega do trabalho ao anoitecer em horrio de pico e maior tarifao de
energia, ele usa a energia armazenada nas baterias do carro para realizar atividades
que necessitam de eletricidade.
grande o aumento de produo residencial de energia solar, hoje principalmente
para o aquecimento de gua. Porm, com essa nova facilidade possvel j a
produo de energia solar para uso eltrico na casa. Podendo essa ser
armazenada, ou ento, ser lanada na rede eltrica da rua a produo excedente.
Isso s possvel devido a substituio dos leitores analgicos pelos bidirecionais,
em que o consumidor vende ou negocia sua produo de energia eltrica para a
concessionria.
3.3. Gerenciamento Pelo Lado da Demanda
O termo Demand Side Management (DSM), criado pelo Clark W. Gellings define e
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caracteriza que o GLD um sistema que trabalha em parceria com a distribuidora.
Ou melhor, busca o aprimoramento e identificao da curva de carga e consumo,
com isso podendo melhorar, fazendo at com que o consumidor mude seus hbitos
e maneiras de consumir energia, para conseguir diminuir os custos e para o
consumidor, seus gastos.
Em pases mais industrializados e desenvolvidos, o uso de programas energticos
baseados no GLD so bem comuns e essenciais no controle de gasto e produo
energtico do pas. Reduzindo custos em desenvolvimento de tecnologias para
gerao de energia e em alguns pases usam o programa de GLD como uma
alternativa a gerao de energia. No Brasil, o programa ainda quase no visto. O
Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica, PROCEL, no incentiva
seu uso e sim apenas aspectos de racionalizao e criao de novos e mais
eficientes equipamentos.
Como citado no 3.2. um exemplo de economia de energia usando a parceria entre
SmartGrid e GLD o armazenamento de eletricidade nos novos carros eltricos.
3.4. Tarifao Branca
Em 2011 a ANEEL regulamentou uma nova poltica de tarifao no consumo de
energia eltrica. Essa resoluo prev tarifas diferenciadas, com valor que varia de
acordo com trs faixas de tarifa.
- Posto de Ponta: Perodo do dia de 3 horas correntes, definido pela
concessionria como a de maior pico de consumo de acordo com a curva de carga
de sua regio.
- Posto Intermedirio: Perodo de 2 horas dirias, sendo 1 hora imediatamente
anterior e outra hora imediatamente posterior ao posto de ponta.
- Posto Fora de Ponta: Todo o perodo complementar do dia.
Segundo a regulamentao, o consumidor ainda pode escolher entre essa
modalidade branca e a modalidade convencional, que seria algo como j praticado
hoje em dia com valor fixo de tarifa durante todo o dia. O intuito de oferecer a
tarifao de modalidade branca incentivar o consumidor a conseguir maiores
nmeros em sua economia e ainda favorecer at mesmo a concessionria.
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Porm, essa escolha de modalidade possui algumas restries. Somente o
consumidor com gasto mensal entre 200kWh e 500kWh poder optar entre as duas
e os consumidores com gasto superior a 500kWh ser obrigatoriamente encaixado
na modalidade de tarifao branca. No valendo para moradores de baixa renda e
iluminao pblica.
4. CONCLUSO
Indubitavelmente, eletricidade algo necessrio e hoje fundamental para a vida e o
bem-estar humano. O problema que a cada ano a necessidade por mais energia
s aumenta. Diversas maneiras de se contornar isso foram sendo desenvolvidas
pela cincia. Seja ela para aumentar a produo, ou para diminuir seu consumo.
Nesse trabalho, sugeri a unio dos dois lados desse raciocnio. Em que se combina
uma tecnologia de gerao de energia e outra para melhorar a qualidade e
economizar no gasto.
Levando em conta vrias novas politicas tarifrias e as tecnologias associadas. A
gerao de energia residencial e a implantao de uma rede inteligente
visivelmente vantajoso o investimento e melhor ainda para o consumidor final que
paga a conta para a distribuidora.
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5. CRONOGRAMA
Datas Planejamento
12/mar Incio da definio do tema do projeto
19/mar Definio do tema do projeto
26/mar Pesquisa bibliogrfica
02/abr Pesquisa bibliogrfica
06/mai Pesquisa bibliogrfica
20/mai Pesquisa bibliogrfica
21-27/mai Desenvolvimento dos textos
29-30/maio Concluso e formatao do trabalho
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6. BIBLIOGRAFIA
ANEEL: Agncia Nacional de Energia Eltrica. ANEEL regulamenta medidores
eletrnicos. 2012. Disponvel em:
. Acesso em: 26 maio 2014.
ANEEL: Agncia Nacional de Energia Eltrica. Estrutura Tarifria Para o Servio de
Distribuio de Energia Eltrica: Sinal Econmico Para a Baixa Tenso. Disponvel
em:
. Acesso em: 26 maio de 2014
BROWN, R. E. Impact of Smart Grid on distribution system design. Power And
Energy Society General Meeting: Conversion and Delivery of Electrical Energy in the
21st Century, IEEE Power Energy Mag: Pittsburgh, Pa, p.1-4, jul. 2008.
CHIA, Ian Mauro Concha. INTERFACE DE GESTO ATIVA DE CONSUMO DE
ENERGIA ELTRICA PARA SMART-GRIDS. 2011. 59 f. TCC (Graduao) - Curso
de Engenharia Eltrica, Universidade Federal do Paran, Curitiba, 2011.
GELLINGS, C.W. The Concept of Demand-Side Management for Electric Utilities.
Gellings: The Concepto f DSM, vol. 73 (10), p. 1468-1470, 1985.
HERZOG, Ana Luiza. O Brasil na onda das smart grids. 2013. Disponvel em:
. Acesso em: 25 maio 2014.
POTTER, Cameron W.; ARCHAMBAULT, Allison; WESTRICK, Kenneth. Building a
smarter smart grid through better renewable energy information. Power Systems
Conference And Exposition, IEEE Power Energy Mag: Seattle, Wa, p.1-5, mar. 2009.
59
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SAUTER, T.; LOBASHOV, M. End-to-End Communication Architecture for Smart
Grids. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, p. 1218 - 1228, abril 2011.
SOUZA, Ronilson di. Sistema Fotovoltaicos On-Grid e as Redes de
Distribuio. 2011. Disponvel em: . Acesso em: 25 maio 2014.
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FUNDAO UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
RAFAEL DIAS OLIVEIRA DE ALMEIDA
ANTENAS INTELIGENTES PARA TRANSMITIR ENERGIA SEM FIOESTUDO 5
SANTO ANDR2014
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RAFAEL DIAS OLIVEIRA DE ALMEIDA
ANTENAS INTELIGENTES PARA TRANSMITIR ENERGIA SEM FIOESTUDO 5
Projeto Dirigido apresentado comoexigncia parcial para obteno do graude Bacharelado em Cincia e Tecnologia Universidade Federal do ABC.
SANTO ANDR2014
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ANTENAS INTELIGENTES PARA TRANSMITIR ENERGIA SEM FIO
Projeto Dirigido apresentado como exigncia parcial para obteno do grau de Bachareladoem Cincia e Tecnologia Universidade Federal do ABC.Data:__/__/__
Professora Doutora Ruth Ferreira Santos-Galdurz _____________
(assinatura)
Instituio: Universidade Federal do ABC
Professor ____________
(assinatura)
Instituio: Universidade Federal do ABC
Professor ____________
(assinatura)
Instituio: Universidade Federal do ABC
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SUMRIO
RESUMO...................................................................................................................64
1 INTRODUO........................................................................................................65
2 JUSTIFICATIVAS....................................................................................................66
3 OBJETIVO GERAL.................................................................................................66
3.1 OBJETIVOS ESPECFICOS................................................................................66
4 HIPTESES ESPECFICAS...................................................................................66
5 REVISO DA LITERATURA....................................................................................67
5.1 ENERGIA SEM FIO..............................................................................................67
5.2 ANTENAS INTELIGENTES..................................................................................68
5.3 ENERGIA SEM FIO USANDO ANTENAS INTELIGENTES.................................70
6 METODOLOGIA......................................................................................................71
7 CRONOGRAMA......................................................................................................72
8 CONCLUSO..........................................................................................................73
9 REFERNCIAS.......................................................................................................74
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RESUMO
Neste trabalho propomos a utilizao de um arranjo de antenas inteligentes para
transmisso de energia sem fio. Um arranjo de antenas inteligentes possibilita um
controle do diagrama de radiao emitido, alinhando o lbulo principal ao receptor.
Com a reduo da radiao em direes contrrias direo do receptor,
pretendemos analisar se h um ganho de eficincia na transmisso de energia sem
fio. A execuo da proposta pretende ser feita com simulao computacional,
utilizando modelos eletromagnticos de propagao da radiao em diferentes
meios e modelos de circuitos ressonantes. Possibilitando a comparao de sistemas
que utilizam antenas inteligentes e de sistemas sem antenas inteligentes. Tambm
ser executada a construo de um dos modelos, para quantificar a eficincia dos
sistemas em modelos reais.
Palavras chave: Energia sem fio; Energia eltrica; Antenas inteligentes; Circuitos
eltricos.
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1 INTRODUO
No mundo atual, em que a rpida evoluo tecnolgica associada ao elevado
nmero de equipamentos eletroeletrnicos que so utilizados diariamente, meios
alternativos de transmisso de energia so solues para muitos problemas.
Por possibilitar uma transferncia de energia sem precisar de condutores, a
transmisso de energia sem fio mostra-se muito til em situaes em que os fios so
inconvenientes, perigosos ou impossveis de serem implantados.
Hoje, pode-se afirmar que esse tipo de transmisso uma tendncia para o futuro,
por possibilitar uma economia muito grande de recursos, evitando a produo de
cabos, possibilitando que a energia seja transmitida para locais que antes eram
muito difceis ou impossveis, como em regies de elevadas temperaturas que
prejudicam a conduo eltrica, ou em situaes mdicas, como no carregamento
de uma marcapasso, e possibilitando uma situao de mais conforto para aqueles
que usam equipamentos eletrnicos por no terem a necessidade de lig-los por um
fio a uma tomada.
Analisando essa realidade, possvel afirmar que a transmisso de energia ocupa
lugar de destaque nos futuros avanos tecnolgicos.
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2 JUSTIFICATIVAS
Possibilitar alternativas viveis para a transmisso de energia eltrica, criar
possibilidades, reduzindo a radiao emitida pela fonte em regies que no so
necessrias, evitando danos a objetos que no podem ser expostos a esse tipo de
interferncia e evitando que a energia emitida seja reaproveitada por algum receptor
indesejado.
3 OBJETIVO GERAL
Analisar a variao de eficincia na transmisso de energia sem fio com um arranjo
de antenas inteligentes.
3.1 OBJETIVOS ESPECFICOS
- Simular computacionalmente um sistema de transmisso de energia com antenas
inteligentes e comparar os resultados com os de uma simulao de um sistema de
transmisso de energia por induo.
Implementar um sistema de transmisso com antenas inteligentes, medir o seu
desempenho e comparar com o desempenho terico/computacional.
4 HIPTESE ESPECFICA
- O diagrama de radiao de um arranjo de antenas inteligentes pode ser controlado
para aumentar a eficincia de um sistema de transmisso de energia sem fio.
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5 REVISO DA LITERATURA
5.1 ENERGIA SEM FIO
A transmisso de ondas de rdio comea em 1888, quando Herts confirmou a
existncia da radiao eletromagntica (Knoepfel, 2000). Em 1891, Tesla demonstra
a transmisso de energia sem fio por meio de induo eletrosttica (Tesla, 1891), foi
usada uma bobina de induo de alta tenso. Dois anos depois, Tesla usa o mesmo
princpio para acender lmpadas fosforescentes durante a "World's Columbian
Exposition". Empolgado com os resultados, ele prope que a transmisso de sinais
seja sem fio, ao contrrio do que era feito na transmisso de informaes por
telgrafos (Barrett, 1894). As experincias deixam de ser feitas em pequenas
distncias, primeiro com Marconi, que em 1895 faz uma transmisso de rdio a uma
distncia 2,4