GOVERNO DE GOIÁSSecretaria de Estado de Desenvolvimento e Inovação

Subsecretaria de Ciência, Tecnologia e InovaçãoSuperintendência de Capacitação e Formação Tecnológica

Energias Renováveis2020

Energias Renováveis

Etapa IIITécnico em Meio Ambiente

Outubro 2019

Referências para Oferta de Cursos na Modalidade a

Distância no Âmbito da Rede Itego

Governador do Estado de GoiásRonaldo Ramos Caiado

Secretário de Desenvolvimento e InovaçãoAdriano da Rocha Lima

Secretário Interino e Subsecretário de Ciência e Tecnologia e InovaçãoMárcio César Pereira

Superintendente de Capacitação e Formação TecnológicaJosé Teodoro Coelho

Gerência e Gestão da Rede de ITEGOsMychelly Ferreira Carlos Simões

Coordenadora Geral do PronatecLudmilla Alves Danas Gonçalves

Supervisão Pedagógica e EaDMaria Dorcila Alencastro Santana

Tânia Mara Lopes Ribeiro

Coordenadora do Eixo Produção Cultural e DesignTânia Mara Collyer Pinheiro

Professor ConteudistaRobson de Almeida Vilela

Projeto GráficoMaykell Guimarães

DesignerAndressa Cruvinel

Revisão da Língua Portuguesa Cícero Manzan Corsi

Banco de Imagens http://freepik.com

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Apresentação

Empreendedorismo, inovação, iniciativa, criatividade e habilidade para trabalhar em equipe são alguns dos requisitos imprescindíveis para o

profissional que busca se sobressair no setor produtivo. Sendo assim, destaca-se o profissional que busca conhecimentos teóricos, desenvolve experiências práticas e assume comportamento ético para desempenhar bem suas funções. Neste contexto, os Cursos Técnicos oferecidos pela Secretaria de Estado de Desenvolvimento e Inovação (SEDI) visam a garantir o desenvolvimento dessas competências.

Com o propósito de suprir demandas do mercado de trabalho em qualificação profissional, os cursos ministrados pelos Institutos Tecnológicos do Estado de Goiás, que compõem a REDE ITEGO, abrangem os seguintes eixos tecnológicos, nas modalidades EaD e presencial: Saúde e Estética; Desenvolvimento Educacional e Social; Gestão e Negócios; Informação e Comunicação; Infraestrutura; Produção Alimentícia; Produção Artística e Cultural e Design; Produção Industrial; Recursos Naturais; Segurança; Turismo; Hospitalidade e Lazer, incluindo as ações de Desenvolvimento e Inovação Tecnológica (DIT), transferência de tecnologia e promoção do empreendedorismo.

Espera-se que este material cumpra o papel para o qual foi concebido: servir como instrumento facilitador do seu processo de aprendizagem, apoiando e estimulando o raciocínio e o interesse pela aquisição de conhecimentos, ferramentas essenciais para desenvolver sua capacidade de aprender a aprender.

Bom curso a todos!Secretaria de Estado de Desenvolvimento e Inovação (SEDI).

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Conteúdo InterativoEssa apostila foi cons-truída com recursos que possibilitam a interatividade tais como hiperlinks e páginas com hipertexto.

Pré-requisitos:

Para acessar a interatividade utilize o Inter-net Explorer,

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SumárioUNIDADE IEnergia 10

UNIDADE IIFontes renováveis e alternativas 12

2.1 Introdução 122.2 História da eletricidade 13

UNIDADE IIITermodinâmica 16

3.1 Conceito 163.2 Variáveis Termodinâmicas 183.3 Equilíbrio Termodinâmico 183.4 Calorimetria 193.5 Princípios básicos da calorimetria 193.6 Tipos de calor 203.7 Transmissão de calor 22

3.7.1 Convecção 223.7.2 Condução 233.7.3 Radiação 24

UNIDADE IVEnergia eólica 26

4.1 História e evolução 264.2 Crescimento da energia eólica instalada 29

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4.3 Geração dos ventos 304.4 Aerogeradores 324.5 Componentes dos sistemas eólicos 33

4.5.1 Rotor 334.5.2 Nacele 344.5.3 Parque Eólico 344.5.4 Gerador 35

5.1 Aplicações 365.1.1 Sistemas Isolados 36

5.2 Sistemas Híbridos 365.3 Sistemas Interligados à Rede 375.4 Sistemas Offshore 376.1 Energia Eólica no Brasil 38

UNIDADE VEnergia hidráulica 40

5. Introdução 405.1 Custos 415.2 Funcionamento da Energia Hidráulica 435.3 Barragem 445.4 Turbina 455.5 Classificação 46

5.5.1 Usinas com Reservatório de Acumulação 465.5.2 Usinas a fio d’água 475.5.3 Usinas Hidrelétricas Reversíveis 47

UNIDADE VIEnergia solar 51

6. História e definições 516.1 Energia Solar Heliotérmica 54

6.1.1 Cilindro parabólico 546.1.2 Torre solar 556.1.3 Disco stirling 556.1.4 Refletor Fresnel 55

6.2 Energia Solar Fotovoltaica 576.3 Atlas Solarimétrico do Brasil 576.4 Sistemas Fotovoltaicos 58

6.4.1 Classificação 58

9

6.5 Componentes de um sistema fotovoltaico 59Bibliografia básica 60

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Recursos Didáticos

FIQUE ATENTO A exclamação marca

tudo aquilo a que você deve estar atento. São assuntos que causam

dúvida, por isso exigem atenção redobrada.

PESQUISE Aqui você encontrará

links e outras sugestões para que você possa conhecer mais sobre

o que está sendo estudado. Aproveite!

CONTEÚDO INTERATIVO

Este ícone indica funções interativas, como hiperlinks e páginas com

hipertexto.

DICAS Este baú é a indicação de onde

você pode encontrar informações importantes na construção e no aprofundamento do seu

conhecimento. Aproveite, destaque, memorize e utilize essas dicas para

facilitar os seus estudos e a sua vida.

VAMOS REFLETIR Este quebra-cabeças indica o

momento em que você pode e deve exercitar todo seu potencial.

Neste espaço, você encontrará reflexões e desafios que tornarão

ainda mais estimulante o seu processo de aprendizagem.

VAMOS RELEMBRAR Esta folha do bloquinho

autoadesivo marca aquilo que devemos lembrar

e faz uma recapitulação dos assuntos mais

importantes.

MÍDIAS INTEGRADAS Aqui você encontra dicas para enriquecer os seus conhecimentos na área,

por meio de vídeos, filmes, podcasts e outras

referências externas.

VOCABULÁRIOO dicionário sempre nos ajuda a

compreender melhor o significado das palavras, mas aqui resolvemos

dar uma forcinha para você e trouxemos, para dentro da apostila, as definições mais importantes na construção do seu conhecimento.

ATIVIDADES DE APRENDIZAGEMEste é o momento

de praticar seus conhecimentos.

Responda as atividades e finalize

seus estudos.

SAIBA MAIS Aqui você encontrará

informações interessantes

e curiosidades. Conhecimento nunca é demais, não é mesmo?

HIPERLINKSAs palavras grifadas em amarelo levam você a referências

externas, como forma de aprofundar um

tópico.

Hiperlinks de texto

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Energia

UNIDADE I

1 - Chuveiro elétrico.Fonte: https://www.construirvilaolimpia.com.br/hidraulica/6647-chuveiro-eletrico-top-jet-multitemperaturas-6400w-220v-lorenzetti.html

O que é energia?Energia, em grego, significa “trabalho” (do grego enérgeia e do latim energia) e, inicialmente, foi usado para

se referir a muitos dos fenômenos explicados através dos termos: “vis viva” (ou “força viva”) e “calórico”. A pa-lavra energia apareceu pela primeira vez em 1807, sugerida pelo médico e físico inglês Thomas Young. A opção de Young pelo termo energia está diretamente relacionada com a concepção que ele tinha de que a energia informa a capacidade de um corpo realizar algum tipo de trabalho mecânico (Bucussi apud Wilson, 1968).

Apesar de estarmos acostumados a utilizar o termo energia, diariamente, em algumas expressões populares, tais como “hoje acordei sem energia” ou então “a energia ou luz acabou ontem à noite”; o significado cientifico dessa palavra é bem definido e nos remete a ideia de um corpo que tem potencial para realizar trabalho ou al-guma ação. A definição de energia por Melo (2018) nos dá uma melhor compreensão:

Qualquer coisa que esteja trabalhando, movendo outro objeto ou aquecendo-o, por exemplo, está gastando (transferindo) energia. Energia é um dos conceitos essenciais da Física e pode ser encontrado em todas as suas disciplinas (mecânica, termodinâ-mica, eletromagnetismo, mecânica quântica, etc.), assim como em outras disciplinas, particularmente na química e na geografia.

Sem dúvidas que a energia é uma das grandezas físicas mais importantes, exercendo um papel fundamental na vida em sociedade e para as atividades industriais e comerciais. A energia pode receber algumas outras de-nominações conforme suas variadas formas de manifestação:

l energia elétrica; l energia mecânica; l energia térmica; l energia química; l energia luminosa.

VAMOS REFLETIR Observe ao seu redor neste

momento, quantas formas de energia estão se manifestando próximas a você e qual é a importância de cada uma delas para sua vida?

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2 - Energia Elétrica.Fonte:https://conhecimentocientifico.r7.com/energia-eletrica/

Uma das formas de energia mais importantes em nosso dia a dia é a energia mecânica, que pode ser definida como a forma de energia associada à movimentação dos corpos e/ou partículas contidas em um determinado sistema físico. Falaremos mais sobre a Energia Mecânica quando estudarmos sobre os tipos de energia e suas divisões.

Física da energia A Física é a ciência das propriedades da matéria e das forças naturais. Ela compreende a matéria nos níveis

molecular, atômico, nuclear e subnuclear. Além disso, engloba os níveis de organização, ou seja, os estados sóli-do, líquido, gasoso e plasmático da matéria (SILVA, 2016).

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Fontes renováveis e alternativas

UNIDADE II

2.1 Introdução

A utilização da energia para múltiplas finalidades tem feito parte da vida do ser humano desde os tempos mais remotos da história. Aspecto fundamental no desenvolvimento e progresso da sociedade, ganhou mais força com a incorporação de novas tecnologias, aparecimento de novas demandas e o crescimento perió-dico das populações por todo o planeta. No cenário atual, um dos maiores desafios é quanto à incerteza da oferta abundante de energia para as gerações futuras, devido à exploração desenfreada dos recursos naturais e a constante utilização de fontes de energia não renováveis.

A projeção dessa realidade faz com que a busca por novas fontes de energia seja parte de um esforço conjunto entre governos, empresas e sociedade como um todo. Além da importante diversificação da ma-triz energética nacional, a adoção de novas fontes de energia renováveis auxiliará na redução considerável dos impactos ambientais causados pelas operações de geração, distribuição e consumo da energia elétrica, independente do seu tamanho. Nesse ponto é que se inicia o debate em torno da viabilidade econômica, técnica e social para implementação de todo o aparato estrutural das energias de caráter renovável.

O crescente acesso da população à energia elétrica nos últimos tempos se reflete no aumento do nível de desenvolvimento do país, pois neste estágio já podemos considerar a energia como um serviço vinculado à infraestrutura básica de uma nação e indispensável para o progresso e manutenção de atividades prioritárias para o cotidiano das pessoas: hos-pitais, supermercados, higiene, etc. De acordo com Mauad apud Dunlap (2015), para satisfazer necessidades de iluminação, aquecimento, trans-porte, produção e distribuição de vá-rios materiais produzidos por indús-trias, é necessária uma intrincada e complexa rede energética. Este pen-samento fica ainda mais claro quan-do observamos a imagem abaixo, em que médicos realizam uma operação em um centro cirúrgico, no qual os equipamentos e iluminação funcio-nam por meio de energia elétrica.

3 - Equipamentos na sala de cirurgia.Fonte: https://pixabay.com/pt/photos/clínica-médica-assistência-médica-1807543/

Fonte: https://www.portaleducacao.com.br/conteudo/artigos/enfermagem/o-uso-da-eletricidade-no-ambiente-hospitalar/36367

SAIBA MAIS Como ocorre o uso da eletricidade no ambiente hospitalar?Uma falha ou interrupção no fornecimento de energia em uma unidade hospitalar

pode ocasionar uma série de problemas para os pacientes. Portanto, vamos conhecer como é o uso da eletricidade nesse tipo de local, sua estrutura, componentes individuais e pontos de segurança e prevenção de quedas de energia. Acesse o link abaixo e conheça melhor.

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Antes de entrarmos no tema das energias renováveis no Brasil e no mundo, vamos conhecer a história e as primeiras aplicações da energia elétrica e suas contribuições no decorrer do desenvolvimento das nações.

2.2 História da eletricidade

A descoberta da eletricidade nos leva para uma viagem ao passado, mais precisamente à Grécia Antiga. Foi neste local que o proeminente filósofo, Tales de Mileto, realizou uma experiência bastante rudimentar, mas que mudaria a história. Tales esfregou um âmbar em um pedaço de pele de carneiro. Ao realizar este pequeno experimento, ele observou que algumas partes das palhas e fragmentos de madeira eram atraídos pelo âmbar. Tales não sabia, mas estava descobrindo um dos princípios básicos da eletricidade, a Eletrização por Atrito, que mais tarde seria explicado e comprovado por outros grandes cientistas.

VOCABULÁRIO ÂmbarÉ uma resina fóssil muito usada para manufatura de objetos ornamentais. Embora

não seja um mineral, é por vezes considerado e usado como uma gema.

Da denominação do âmbar, em grego élektron, é que surge o nome eletricidade. No século XVII, o cien-tista alemão Otto Von Guericke (1602 – 1686) realiza estudos importantes sobre o processo de eletrização por atrito. No ano de 1672, Guericke criou a chamada “Máquina Eletrostática”, que nada mais era do que um engenho constituído por uma esfera revestida de enxofre que podia ser girada por uma manivela. Por meio desse movimento manual da manivela, a esfera acumulava eletricidade estática que, posteriormente, poderia ser descarregada na forma de faíscas.

http://www.fisicafacil.pro.br/biografias/guericke.htm

Guericke e a Máquina Eletrostática

Acesse o link da página abaixo e conheça a biografia e a contribuição deste grande cientista da história da eletricidade.

MÍDIAS INTEGRADAS

O século XVIII foi marcado por outras grandes contribuições e aperfeiçoamentos nos estudos relacionados à eletricidade e a popularização das suas principais aplicações. Entre os principais feitos realizados neste pe-ríodo, podemos citar a experiência de Luigi Galvani (1737 – 1798) com rãs e a famosa experiência da pilha de Alessandro Volta (1745 – 1827), realizada no ano de 1800.

DICASAs experiências de Galvani e Volta

Não se esqueça de clicar nos hiperlinks acima e se aventurar pela história das descobertas e experiências desses dois cientistas que deram suas contribuições na construção da história da eletricidade.

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Seguindo nossa viagem pela história da eletricidade e os feitos dos grandes cientistas. Chegamos até o ano de 1812, quando um jovem gênio, chamado Michael Faraday (1791 – 1867) começava a trilhar o seu caminho no universo científico. Faraday era fascinado pelo conhecimento científico e suas múltiplas possibilidades, uma de suas principais influências foi o trabalho do cientista dinamarquês, Hans Christian Oersted, que em 1820 fez uma descoberta que mudaria a história da eletricidade. Em um experimento que reunia uma bús-sola, uma haste de cobre e corrente elétrica, ele procedeu da seguinte maneira: gerou corrente elétrica e a fez passar através da haste de cobre. Ao fazer isso, imediatamente, aproximou a haste da agulha magnética da bússola e percebeu que o contato fazia com que a agulha girasse. Embora Oersted ficasse extremamente entusiasmado com a nova descoberta, ele ainda não tinha real dimensão do impacto que sua descoberta exerceria no andamento da ciência. Acabara de descobrir a relação entre uma corrente elétrica e a força mag-nética, proporcionando a junção entre a eletricidade e o magnetismo, o que na ciência moderna conhecemos como eletromagnetismo, sendo essa uma das quatro forças fundamentais da natureza.

SAIBA MAIS Forças fundamentais da naturezaVocê sabia que todo e qualquer fenômeno físico envolve quatro forças fundamentais

da natureza? Conheça cada uma delas acessando o link a seguir.

Mas voltando ao trabalho do jovem Faraday, foi na Royal Instituion, em Londres, que seus trabalhos começaram a ganhar notoriedade científica ao reproduzir o trabalho do Oersted. Analisando a experiência do cientista dinamar-quês, Faraday chegou à conclusão de que deveria haver algum tipo de força na interação entre o fio da haste de cobre e a agulha da bússola. Para comprovar essa relação, ele criou um circuito composto por uma bateria, dois fios

condutores de eletricidade e uma solução em mercúrio. A corrente elétrica flui pelas hastes e o fio acabava mergulha-do no mercúrio, devido ao fato de o mercúrio ser um bom condutor, o circuito era completado. Por meio desta experi-ência, Faraday conseguiu demonstrar a conversão da corren-te elétrica em movimento, o que podemos chamar como o primeiro motor elétrico da história.

Por fim, chegamos até o século XX no qual outro grande cientista fez descobertas relevantes para a história e posterior aplicação da eletricidade. Seu nome era Nikola Tesla (1856 – 1943), conforme podemos ver na imagem a seguir, Tesla era um homem de bigode característico e prezava sempre por sua boa vestimenta e a forma como aparecia nas fotos.

De acordo com alguns estudiosos, Tesla gostava de dizer que a primeira coisa a fazer não é construir algo, mas ima-giná-lo, pensar, planejá-lo. Conhecido como o “pai da cor-rente alternada”, ele conseguiu, dentre outras descobertas, demonstrar como o movimento giratório pode ser produzi-do por meio de uma corrente alternada, ou seja, ele estava abrindo a possibilidade de transportar a energia elétrica para locais mais distantes.

Fonte: https://www.coladaweb.com/fisica/mecanica/forcas-fundamentais-da-natureza

4 - Nikola Tesla.Fonte: http://lounge.obviousmag.org/esquina_do_obvio/2015/12/tesla-a-mente-previu--o-futuro.html

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A corrente alternada é um tipo de corrente elétrica cujo movimento é alternado tanto em uma direção, quanto na oposta, ao contrário da chamada corrente contínua, a qual se move somente em uma determinada direção. Uma das razões por trás do interesse de Tesla e outros engenheiros eletricistas da época na corrente alternada estava no fato de que a elevação dos valores de tensão poderia significar uma redução da corrente elétrica nos cabos, ou seja, as perdas seriam menores na distribuição da energia elétrica em distâncias maio-res. Posteriormente, com o desenvolvimento e aplicação do transformador, foi possível reduzir o valor da tensão a níveis que atendiam satisfatoriamente às demandas das residências e empresas.

http://www.abb.com/cawp/seitp202/31b6f1d9686553b1c12579880036eaaa.aspx

Guerra das correntesDisputa entre Nikola Tesla e o inventor norte-americano Thomas Edison pela hegemonia e domínio de mercado.

PESQUISE

ATIVIDADE DE APRENDIZAGEM1 – Qual é a definição correta do conceito de energia renovável?

2 – A energia elétrica é importante na vida das pessoas no mundo atual?

3 – Quando e como foi descoberta a eletricidade?

4 – De acordo com o que foi estudado no Caderno Didático, cite as principais contribuições dos cientistas abaixo.

Otto Von Guericke:

Luigi Galvani:

Michael Faraday:

Hans Christian Oersted:

Nikola Tesla:

5 – O que é corrente alternada e qual é sua importância para os atuais sistemas residenciais de energia elétrica?

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Termodinâmica

UNIDADE III

3.1 Conceito

De acordo com Poleto (2008), a termodinâmica estuda a energia térmica de sistemas, também chamada de energia interna, cujo conceito central é a temperatura. A temperatura, grandeza contida no Sistema In-ternacional (SI), está associada ao grau de agitação das moléculas e átomos dos corpos, ou seja, relacionada diretamente com as energias cinética e potencial. Medida por um aparelho chamado termômetro, causando a manifestação de sensações individuais nos corpos de quente e frio. Em síntese, quando colocamos dois corpos em contato, após um certo tempo eles irão atingir o chamado Equilíbrio Térmico, ou seja, as tempe-raturas serão as mesmas. Esse princípio é conhecido como a Lei Zero da Termodinâmica, criado pelo físico inglês Ralph Fowler (1889 – 1944) no século XX que, em seu texto original expõe:

“Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, então eles estão em equilíbrio térmico entre si”.

Pelo Sistema Internacional (SI), a unidade de medida da temperatura é o Kelvin. Porém, em nosso país estamos acostumados a ouvir falar ou até mesmo medir as temperaturas sempre em graus Celsius (°C). A Primeira Lei da Termodinâmica traz em seu enunciado o princípio de conservação da energia, ou seja, em um certo processo termodinâmico temos a conservação da energia total, sendo que a variação da energia interna de um dado sistema é o resultado da diferença entre o calor e o trabalho. A fórmula que expressa essa lei é:

ΔU=Q-tOnde:∆U = variação da energia interna de um determinado sistema.Q = quantidade de calor trocado com o meio no qual está interagindo.t = trabalho realizado pelo sistema em suas vizinhanças.

Já a Segunda Lei da Termodinâmica, de acordo com o raciocínio de Evangelista (2010), tem dois enuncia-dos. O primeiro de Rudolf Clausius (1822 – 1888) diz, de forma resumida, que:

“ É impossível um sistema que apenas transfira calor de uma fonte fria para uma fonte quente ou só é possível o calor ir de uma fonte fria para uma fonte quente fornecendo ener-gia ao sistema”.

Esse princípio deixa claro que o sentido natural de fluxo do calor é do corpo mais quente para o corpo mais frio e para que o inverso aconteça, ou seja, o fluxo ir da fonte mais fria para a fonte mais quente; é necessário que de alguma forma, um agente externo ao sistema forneça energia ou realize trabalho. O enunciado de Kelvin (William Thomson: 1824 – 1907) e Max Planck (1858 – 1947) que diz:

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“Em uma transformação cíclica é impossível transformar toda energia térmica (calor), recebida de uma única fonte, em energia mecânica (trabalho) ”.

“A entropia do sistema tende a zero se a sua temperatura tende a zero”.

O enunciado de Kelvin-Planck deixa bem claro que é impossível que haja um rendimento de 100% de qualquer dispositivo térmico (máquina térmica), pois sempre haverá perdas no ciclo de transformação de energia, o que impossibilita a conversão da energia total (calor) em trabalho efetivo. Do segundo enunciado também nasce um conceito importante para os nossos estudos dentro da Termodinâmica, a entropia, pois deste mesmo enunciado podemos deduzir claramente que a entropia só pode ser modificada em uma única direção. Mas afinal de contas, o que é entropia? A entropia é uma propriedade na qual há o nível de desor-dem ou irreversibilidade de um dado sistema. Essa “desordem” não deve ser confundida com bagunça que estamos habituados no senso comum, pois essa desordem é uma forma de organização do sistema.

Vamos a um exemplo bem simples para entendermos esse conceito de entropia e desordem de um siste-ma. Imagine que temos três recipientes (copos de vidro) contendo algumas pequenas pedrinhas, um desses copos contém pedrinhas brancas, o outro, pedrinhas pretas e o terceiro está totalmente vazio. Fazemos então o seguinte procedimento, colocamos o copo com as pedrinhas brancas acima e o com as pedrinhas pretas abaixo do copo totalmente vazio. Nesse instante, as pedras estão organizadas e separadas pela sua cor. Agora imagine que de alguma forma, esses três copos sejam balançados de modo que depois de algum tempo as pedras se misturam no copo vazio. Nessa nova configuração, as pedras não estão mais separadas nem organizadas, logo concluímos que o sistema antes ordenado agora passou a ser um sistema desordena-do. Assim a tendência, caso a aplicação da força balançando o copo continue, é que a desordem ou nível de entropia do sistema aumente, ou seja, a formação de novas configurações ou arranjos. Fica claro então que quanto maior o sistema, maior também será a sua entropia.

A Terceira Lei da Termodinâmica trata sobre o comportamento dos sistemas e da matéria quando a sua entropia se aproxima de zero. Segundo essa lei, quando um dado sistema alcança o equilíbrio termodinâmi-co, que estudaremos mais adiante, seu grau de entropia se aproxima de zero. Proposta pelo físico alemão Walther Nernst (1864 – 1941), a lei enuncia que:

Podemos deduzir pela Terceira Lei que, no chamado Zero Absoluto, é possível que uma máquina térmica alcance o rendimento integral de 100%, por meio da conversão total da energia térmica (calor) em trabalho, pois no Zero Absoluto a energia interna do corpo tem valor igual a zero e, desta forma, o movimento das moléculas não existe. Contudo, o Zero Absoluto é apenas uma hipótese científica, nunca tendo sido atingido experimental em laboratório pelos físicos.

SAIBA MAIS Zero AbsolutoEmbora a temperatura precisa do Zero Absoluto não tenha sido alcançada até então,

estudiosos já conseguiram demonstrar, experimentalmente, que temperaturas abaixo do Zero Absoluto podem ser alcançadas. Conforme noticiado no link do artigo a seguir do ano de 2013.

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3.2 Variáveis Termodinâmicas

Segundo Savi e Colucci (2010), as variáveis termodinâmicas podem ser classificadas de acordo com sua dependência em relação ao tamanho do sistema (como medido pela sua massa ou pelo seu volume). Dessa definição inicial, podemos classificar as variáveis termodinâmicas de duas maneiras:

l Variável extensiva – é uma variável que seu valor depende diretamente das dimensões (tamanho) de um determinado sistema, como por exemplo a massa de um corpo.

l Variável intensiva – é uma variável que seu valor não depende das dimensões do sistema em que está inserida, como por exemplo a temperatura de um corpo.

Por falar em sistemas, também precisamos entender um pouco mais sobre eles e suas principais classi-ficações. Uma das principais formas de classificação dos sistemas é quanto aos tipos de “fronteiras” que os delimitam. Vamos estudar em maiores detalhes cada um desses tipos:

- Sistemas isolados: conforme o próprio nome diz, os sistemas isolados são aqueles que não interagem com as suas vizinhanças, ou seja, não trocam matéria nem calor com suas fronteiras, suas paredes impedem qualquer possibilidade de troca com o ambiente externo.

- Sistemas fechados: nesse tipo de sistema existe a possibilidade de troca de energia entre o sistema e sua vizinhança, porém a troca de massa não é possível.

- Sistemas abertos: sistema que permite os dois tipos de troca (energia e massa) com suas vizinhanças.

https://pt.solar-energia.net/definicoes/parede-adiabatica.html

Parede adiabáticaA noção de sistemas abertos e totalmente isolados nos leva a pensar como é possível um isolamento térmico total. O conceito de parede adiabática elucida bem esse raciocínio.

PESQUISE

3.3 Equilíbrio Termodinâmico

Para compreendermos o significado de Equilíbrio Termodinâmico, temos que primeiramente estudar a ideia de equilíbrio do ponto de vista da matéria. Um sistema só está em estado de equilíbrio quando não há variação nas suas grandezas constituintes no decorrer do tempo, pois quando dizemos que um corpo está em Equilíbrio Termodinâmico, implica um equilíbrio total, ou seja, está em equilíbrio químico, mecânico, térmico e radiativo, simultaneamente. Vamos entender melhor cada um desses tipos de equilíbrio a seguir:

- Equilíbrio Térmico: esse tipo de equilíbrio acontece quando temos uma temperatura uniforme por todo o corpo ou sistema, não há troca de calor entre as partes ou sistemas, mesmo quando estão interagindo.

- Equilíbrio Químico: atingido em um determinado corpo ou sistema, quando todas as reações químicas convergirem para um ponto de equilíbrio, ou seja, o sistema não sofrerá alterações nas concentrações dos reagentes nem dos produtos.

- Equilíbrio Físico: também designado como equilíbrio mecânico, é alcançado quando todos os compo-nentes ou partes do sistema estão no mesmo valor de pressão, de modo que nenhuma mudança ou altera-ção observável ocorra no sistema.

- Equilíbrio Radioativo: é um tipo de equilíbrio bastante peculiar, pois é atingido somente quando não

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existe emissão de energia, ou seja, emissão de radiação que é uma forma de energia.

Vamos pensar em um exemplo prático para explicar o Equilíbrio Termodinâmico. Imagine que temos dois sistemas com características diferentes e os colocamos em contato por meio de uma parede/barreira mó-vel, todavia não há troca de energia (calor) entre esses dois sistemas. Nesse caso, como a parede/barreira é móvel, vai haver alguma transferência de energia de um sistema para outro pela forma de trabalho. No momento em que esta parede para de se movimentar, haverá uma equalização das pressões nos sistemas, ou seja, eles terão atingido o equilíbrio mecânico pois terão pressões similares.

Agora, vamos imaginar esses mesmos sistemas com características diferentes, só que agora o contato é feito por meio de uma parede/barreira imóvel, que não permite a passagem de matéria, porém permi-te a passagem de energia na forma de calor. Após um certo tempo de interação, quando as propriedades deixarem de variar com o tempo, esses sistemas terão temperaturas iguais e, consequentemente, estarão em equilíbrio térmico. Em um terceiro cenário, vamos pensar agora que esses sistemas com características diferentes estão em contato por meio de uma barreira/parede imóvel que permite a passagem de matéria, entretanto não há troca de energia nem por trabalho nem por calor. No momento em que não houver mais troca de matéria, esses sistemas passarão a ter composições químicas similares e terão alcançado a condi-ção de equilíbrio químico.

3.4 Calorimetria

Calorimetria é a parte da física que estuda as trocas de energia entre corpos ou sistemas na forma de calor. Calor significa uma transferência de energia térmica de um sistema para outro, ou seja, podemos dizer que um corpo recebe calor, mas não que ele possui calor (CUNHA, 2016).

Na natureza, os corpos são constituídos por inúmeras partículas, sendo que estas partículas estão em intensa movimentação o tempo todo, são portadoras de energia. Classificamos essa energia oriunda do movimento das partículas como energia térmica. Essa energia guarda relação de dependência com vários outros fatores, tais como: composição das partículas, massa e a sua temperatura. Logo, chegamos à conclu-são de que a temperatura nada mais é do que a medição do grau de agitação das moléculas/partículas de um determinado corpo. Sendo assim, se há um aumento na temperatura do corpo, dizemos que ele acabou ganhando mais Energia Térmica. A calorimetria tem dois princípios que precisamos conhecer melhor para compreendermos um pouco mais sobre toda a dinâmica que envolve os seus processos.

3.5 Princípios básicos da calorimetria

- Princípio da Transformação Inversa“Se na transformação sofrida por um sistema de um estado (1) para um estado (2) for necessário for-

necer uma quantidade de calor Q, na transformação inversa, de 2 para 1, será necessário retirar a mesma quantidade de calor Q.”

Vamos utilizar um exemplo bem simples para entendermos esse princípio. Imagine que você precise aquecer uma certa quantidade de água para fazer um pouco de café antes de ir para o trabalho. Pois bem, o primeiro passo, obviamente, é pegar um recipiente (chaleira) ou qualquer outro que possa armazenar a água e aquecê-la na chama do fogão até chegar ao ponto desejável para fazer o café. No momento em que você estiver aquecendo a água, dizemos que tanto a água quanto o recipiente estão recebendo energia térmica (calor) oriundo da chama de aquecimento. Após um certo tempo, ao desligar a chama, a água e a chaleira começarão a esfriar, e então dizemos que ambas estão perdendo energia térmica na forma de calor.

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Esse pequeno ato tão comum em nosso cotidiano nos leva a uma conclusão: a mesma quantidade de energia térmica (calor) recebida pela água e o recipiente no aquecimento é igual à quantidade de calor per-dido no momento do resfriamento do conjunto, ou seja, na transformação inversa.

- Princípio da Troca de Calor“Quando dois ou mais corpos trocam calor exclusivamente entre si, a soma algébrica das quantidades

de calor trocadas pelos corpos, até atingir o equilíbrio térmico é igual a zero.” (SAVI; COLUCCI, 2010, p. 42).Para entender esse princípio, vamos imaginar a seguinte experiência imaginária:Temos quatro corpos, cada um com uma temperatura diferente do outro, inseridos em um recipiente

adiabático, ou seja, que não troca calor com o meio externo. Internamente teremos um gradiente (diferen-ça) de temperatura, o que acarretará na troca de calor entre os corpos até chegarem ao ponto de atingir o equilíbrio térmico (temperaturas iguais). Dessa configuração, concluímos que caso existam dois ou mais corpos trocando calor entre si em um sistema termicamente isolado, o somatório total das quantidades de calor transferidas por um corpo é igual ao somatório das quantidades de calor recebidas pelos outros corpos que constituem o sistema, expressando de forma mais clara:

Quantidade de calor trocada = Quantidade de calor recebido + quantidade de calor cedido = 0

3.6 Tipos de calor

Já vimos anteriormente que o calor é um tipo de energia térmica em trânsito devido a uma diferença de temperatura entre dois ou mais corpos de um sistema. Alguns outros aspectos, como os tipos de calor existentes na natureza são fundamentais para que possamos compreender as transformações que ocorrem em nosso dia a dia. Um corpo qualquer, quando está recebendo ou cedendo calor, necessariamente sofrerá dois efeitos diretos, um é a mudança de estado físico da matéria e o outro é a mudança de temperatura, porém preservando o mesmo estado físico. Esses efeitos estão associados ao calor sensível e calor latente dos cor-pos. Vamos entender cada um desses tipos de calor.

O calor sensível é manifestado quan-do um determinado corpo cede ou re-cebe calor ocasionando apenas uma mudança em sua temperatura. A figura a seguir exemplifica bem esse conceito, pois temos um pedaço de madeira em contato direto com uma fogueira. Ha-verá variação na temperatura do corpo (madeira) e no homem, mas não have-rá mudança de estado físico.

5 - Calor sensível.Fonte: http://blog.lojadecamping.com.br/saiba-como-fazer-uma-fogueira-em-acampamentos/

O cálculo da quantidade de calor sensível de um determinado corpo ou sistema é dado pela seguinte equação:

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Q=c*m*ΔθEm que:Q = quantidade de calor sensível (dado em cal ou J).c = calor específico da substância que constitui o corpo (cal/g°C ou J/kg°C).m = massa do corpo (g ou kg).∆θ = variação da temperatura (°C).

É importante observarmos alguns valores de calor específico de materiais abundantes na natureza na tabela abaixo:

Tabela de valor de calor específico

Substância Calor específico (cal/g°C)

Água 1,0

Álcool 0,6

Alumínio 0,22

Ar 0,24

Chumbo 0,031

Cobre 0,091

Ferro 0,11

Hidrogênio 3,4

Madeira 0,42

Ouro 0,032

Prata 0,056

Vidro 0,16Tabela 1. Valores de calor específico.

Fonte: http://fep.if.usp.br

VOCABULÁRIO Calor específicoO calor específico pode ser definido como a quantidade de calor para que uma

substância sofra variação de temperatura de 1°C (CUNHA, 2016).

Já o calor latente acontece quando esse mesmo corpo apresenta mudança de estado físico da matéria, todavia, sem variação em sua temperatura. Pode ser expresso por meio da equação abaixo:

Q=M x LOnde:Q = quantidade de calor latente (J/kg ou cal/g).m = massa do corpo (g ou kg).L = calor latente do estado físico da substância (cal/g).

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Precisamos ter em mente que, na natureza, existem quatro tipos de calor latente: fusão, vaporização, soli-dificação e condensação. Para a tabela abaixo temos os calores latentes de fusão e vaporização de algumas das substâncias mais comuns.

Tabela de valor de calor latente de fusão e vaporização

Substância Calor latente de fusão (cal/g°C)

Calor latente de vaporização (cal/g°C)

Água 80 540

Álcool 25 204

Mercúrio 2,7 70

Cobre 49 1288

Chumbo 6 209

Enxofre 119 78

Ferro 64 1508

Hidrogênio 14 108

Ouro 15 376

Prata 21 559

Zinco 24 475

Oxigênio 3,3 51

Tabela 2. Calor latente de fusão e vaporização. Fonte:http://www.if.ufrgs.br/cref/amees/tabela.html

3.7 Transmissão de calor

Conforme já falamos anteriormente, o calor é um tipo de energia térmica que é sempre transmitida do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura. Por falar em transmissão de calor, ela ocorre mediante três processos básicos: convecção, condução e radiação. Vamos conhecer os detalhes de cada um desses processos a partir de agora.

3.7.1 Convecção

De acordo com Teixeira (2017), o processo de transmissão de calor por convecção se manifesta com maior

frequência nos fluidos, estejam eles no estado líquido ou gasoso. Na convecção há uma intensa movimentação do fluido, que por consequência transporta toda a matéria. Em termos práticos, o processo funciona mais ou menos assim:

Um determinado fluido é aquecido por uma fonte (a chama de um fogão, por exemplo), ao serem aquecidas, as moléculas desse fluido começam uma movimentação mais acelerada, de modo que com o passar do tempo se afastam uma da outra. O volume ocupado pela massa do fluido aumenta gradativamente, logo a densidade diminui, lembrando que a densidade é a relação entre a massa e o volume de um corpo. Naturalmente, a massa do fluido menos densa que está localizada na parte inferior do recipiente tende a subir, passando dessa forma a ocupar o lugar da massa do fluido portadora de temperatura menor. Dessa forma, a massa do fluido de menor temperatura (mais fria) tende a ir para baixo, ocupando o local no qual estava anteriormente a massa do fluido de maior temperatura. Esse movimento é repetido por diversas vezes, gerando as chamadas correntes de con-

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3.7.2 Condução

A condução é um processo de transmis-são de calor, no qual a energia térmica (calor) necessita de um determinado meio material para sua transmissão, ou seja, algum mate-rial, objeto ou elemento que seja capaz de propagar o movimento das moléculas de uma para outra. No processo de condução, é destacável o fato de que ocorre a transferên-cia de energia, porém sem a transferência de matéria paralelamente.

Um bom exemplo de transmissão de calor por condução pode ser visto na Figura 7, em que as madeiras estão sendo aquecidas em brasas remanescentes de uma fogueira.

vecção, fenômeno que faz com que o fluido continue circulando e trocando calor por todo o recipiente. A ima-gem abaixo de uma chaleira sendo aquecida em um fogão, elucida visualmente todo o processo de convecção.

https://www.youtube.com/watch?v=3Ue0vF9XS4o

Correntes de convecção

Para fixar seu aprendizado sobre as correntes de convecção, assista ao vídeo no link a seguir e conheça mais detalhes desse importante fenômeno natural.

MÍDIAS INTEGRADAS

6 - Correntes de convecção na chaleira.Fonte:https://www.pexels.com/pt-br/foto/770554/

7. Aquecimento de madeira – Condução.Fonte: https://pixabay.com/pt/photos/fogueira-fogo-piso-varas-876635/

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A velocidade de transmissão do calor por toda a extensão da barra ou pedaço de madeira está condicionada a algumas características, tais como: comprimento total, gradiente (diferença) de temperatura entre os pontos extremos, espessura, propriedades do material do qual ela é feita. Alguns materiais apresentam uma maior con-dutividade térmica, ou seja, conduzem mais calor em relação a outros. Observe a tabela a seguir com os valores de condutividade térmica de alguns materiais à temperatura de 27°C.

Tabela de condutividade térmica de materiais a 27°C

Material Condutividade (J/s*m*K)

Prata 426

Cobre 398

Alumínio 237

Ferro 80,3

Vidro 0,72 a 0,86

Água 0,61

Madeira (pinho) 0,11 a 0,14

Ar 0,026

Fibra de vidro 0,046Tabela 3. Condutividade térmica de materiais.

Fonte: http://www.protolab.com.br/Tabela-Condutividade-Material-Construcao.htm

3.7.3 Radiação

A radiação térmica, também conhecida como irradiação, é uma fonte de transferência de calor que ocorre por meio de ondas eletromagnéticas. Como essas ondas podem propagar-se no vácuo, não é necessário que haja contato entre os corpos para haver transferência de calor (TEIXEIRA, 2017).

O processo de transmissão de calor por radiação guarda uma característica a parte, não precisa de um meio material para se propagar, sendo assim é um processo que visualizamos muitos exemplos comuns em nosso dia a dia, como a radiação emitida pelo sol, indispensável para a manutenção da vida na terra, ou então nas regiões mais frias do planeta é normal que as residências tenham lareiras para aquecimento, conforme demonstrado pela Figura 8.

https://www.inca.gov.br/exposicao-no-trabalho-e-no-ambiente/radiacoes/radiacoes-nao-ionizantes

Radiação Solar

A radiação oriunda do sol é de extrema importância para a manutenção da vida em nosso planeta e para alguns processos do nosso corpo. Todavia, a exposição prolongada e sem critérios pode acarretar problemas na saúde das pessoas. Leia o artigo abaixo para se informar sobre os efeitos nocivos desse tipo de radiação.

MÍDIAS INTEGRADAS

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Pelo estudo da calorimetria, en-tendemos que os corpos são por-tadores de energia e a transmitem para um outro corpo se houver uma diferença de temperatura. Uma constatação simples desse fenô-meno é quando nos aproximamos da chama do fogão de nossa casa. Sentimos um aquecimento maior ao nos aproximarmos da fonte de calor (chama), que neste caso está transferindo calor para o nosso cor-po como forma de irradiação. 8. Lareira.

Fonte: https://pixabay.com/pt/photos/lareira-fogo-home-interior-quentes-1464166/

DICASIrradiação ou radiação?Saiba a diferença entre esses dois termos acessando o link abaixo para o artigo:https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/a-diferenca-entre-radiacao-irradiacao.htm

ATIVIDADE DE APRENDIZAGEM1 – Defina termodinâmica.2 – O que diz a Lei Zero da Termodinâmica?3 – Qual é o enunciado da Primeira Lei da Termodinâmica?4 – Quais são os dois enunciados principais da Segunda Lei da Termodinâmica? Existe

alguma relação entre eles?5 – O que é entropia e como ela se aplica à Terceira Lei da Termodinâmica?6 – Diferencie as variáveis termodinâmicas existentes.7 – Classifique os sistemas abaixo:Aberto:Fechado:Isolado:8 – O que é Equilíbrio Termodinâmico? Dê alguns exemplos.9 – Uma barra de cobre de, aproximadamente, 3,8 kg é aquecida de uma temperatura inicial de 15°C

até chegar a 70°C. Calcule a quantidade de calor sensível na barra.10 – Um móvel fabricado em prata com massa de 15 kg possui um determinado valor de calor latente

de fusão (consultar tabela no Caderno Didático). Calcule a quantidade de calor latente existente nesse móvel.

11 – Faça um levantamento dos principais processos de transmissão de calor e suas principais características.

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Energia eólica

UNIDADE IV

4.1 História e evolução

O aproveitamento da energia eólica pelo homem é milenar. Desde antes de 3.000 a.C., veleiros já conta-vam com o impulso do vento para se mover. Ao longo de sua história de utilização, além de força motriz, o vento também desempenhou importantes aplicações mecânicas, como a moagem de grãos, bombeamento de água e movimentação de máquinas fabris, sendo manejado, primeiramente, por dispositivos de eixo vertical e, posteriormente, por turbinas de eixo horizontal (MAUAD, FERREIRA, TRINDADE apud IPCC, 2012).

De acordo com Dutra (2008), o primeiro registro histórico da utilização da energia eólica para bombe-amento de água e moagem de grãos através de cata-ventos é proveniente da Pérsia, por volta de 200 a.C. Sendo que esse invento dos persas se espalhou por todo o mundo, principalmente nos países com influên-cia do islamismo, e foi utilizado durante os séculos posteriores. Todavia, alguns estudiosos acreditam que cata-ventos rudimentares já eram utilizados pelos chineses por volta de 2.000 a.C.; e pelo Império Babilô-nico, por volta de 1700 a.C., para as atividades ligadas à irrigação. Ainda que fossem bem rústicos e pouco eficientes, os cata-ventos proporcionaram um intenso desenvolvimento para atender às demandas básicas das sociedades da época, tais como o bombeamento de água e a moagem dos grãos provenientes da agri-cultura, substituindo gradativamente a força humana e animal pela proveniente do movimento dos ventos.

A tecnologia dos cata-ventos alcançou o continente Europeu no período das cruzadas (1095 – 1492), com larga aplicação no desenvolvimento das atividades produtivas da época. A utilização desses engenhos primitivos permaneceu até meados do século XII, pois a partir daí começaram a surgir os primeiros moinhos, similares ao da imagem 08, principalmente os de eixo horizontal, em alguns países como a Inglaterra, França e Holanda. Sendo que os holandeses se tornaram referência na construção e disseminação desse tipo de moinho em vários países da Europa. Já na idade média, durante o feudalismo (séculos V e XV), novas legis-lações impediram a construção de novos moinhos pelos camponeses, obrigando-os a utilizarem os moinhos de vento dos senhores feudais para realizar a moagem dos grãos. Nesse período, também foram criadas leis que não permitiam o plantio de árvores próximas aos moinhos, para que dessa forma o “direito ao vento” fosse assegurado pelos proprietários.

9. Turbinas eólicas.Fonte: https://pixabay.com/pt/photos/energia-e%C3%B3lica-turbina-e%C3%B3lica-2709681/

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O papel desempenhado pelos moinhos de vento na Europa teve influência direta no progresso da economia agrícola durante muitos séculos. Com o passar do tem-po, novas tecnologias foram sendo incorporadas aos moi-nhos: pás, sistemas de controle, novos formatos de eixos, de modo que diversas atividades foram beneficiadas com essas novas aplicações.

Na Holanda, entre os séculos XVII a XIX, o uso de moi-nhos de vento em grande escala esteve amplamente rela-cionado com a drenagem de terras cobertas pelas águas. A área de Beemster Polder, que ficava três metros abaixo do nível do mar, foi drenada por 26 moinhos de vento de até 50 HP cada, entre os anos de 1608 e 1612. Mais tar-de, a região de Schermer Polder também foi drenada por 36 moinhos de vento durante quatro anos, a uma vazão total de 1.000 m³/min (DUTRA apud SHEPHERD, 1994). A utilização da energia eólica sofre uma grande baixa com a chegada da Revolução Industrial no século XVIII, pois com o desenvolvimento da máquina a vapor os moinhos começaram a cair em desuso devido à eficiência da nova tecnologia. Todavia alguns movimentos, sobretudo na Holan-da iniciaram estudos e discussões sobre a possibilidade de utilização de novas tecnologias nos moinhos de vento.

Com a chegada do século XX e a consequente conso-lidação da utilização da energia elétrica para as mais di-versas finalidades, trouxe uma nova oportunidade para o aproveitamento da energia eólica para geração de ener-gia elétrica em áreas mais distantes e que eram privilegia-das por um bom regime de ventos. Os norte-americanos priorizaram o desenvolvimento de alguns pequenos ae-rogeradores, destinados principalmente para as áreas ru-rais do país. Os russos, por sua vez, buscaram direcionar seus esforços para o desenvolvimento de aerogeradores de médio e grande porte que pudessem ser conectados diretamente na rede elétrica de abastecimento.

A utilização e consequente adaptação dos cata-ventos, para auxílio na geração de energia elétrica, iniciou-se em meados do século XIX, mais precisamente no ano de 1888. Foi neste ano que um inventor norte-americano chamado Charles Brush (1849 – 1929) construiu, na cidade de Cleveland, no estado americano de Ohio, o primeiro cata-vento (Figura 11), cuja finalidade era o auxílio na geração de energia elétrica. Esse primeiro cata-vento tinha capacidade de fornecer cerca de 12 kW em corrente contínua, de modo que sua principal função era fornecer energia para algumas baterias que, por sua vez, alimentavam algumas lâmpadas incandescentes (por volta de 350) que iluminavam uma área da ci-dade. A invenção de Brush teve como inspiração a configuração de um moinho, desde os seus componentes mecânicos até a previsão do regime de ventos predominantes na região. O cata-vento de Brush operou por, aproximadamente, 20 anos até o ano de 1908, representando um marco inicial e histórico na introdução dos cata-ventos com o propósito de gerar energia elétrica. Entre as principais inovações preconizadas pelo

10. Moinho na Holanda.Fonte: https://pixabay.com/pt/photos/moinho-de-vento-holanda-energia-1721466/

11. Turbina Eólica de Brush em 1888.Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_e%C3%B3lica#/media/Ficheiro:Wind_tur-

bine_1888_Charles_Brush.jpg

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invento de Brush, estava o fato de que proporcionou uma combinação assertiva entre os conhecimentos da época sobre aerodinâmica, composição e funcionamento dos moinhos e as últimas descobertas no que se referia à pro-dução de energia elétrica.

O desenvolvimento das turbinas eólicas de grande porte foi impulsionado no século XX, sobretudo no ano de 1931 na antiga União Soviética (Rússia). O chamado aerogerador balaclava, o qual podemos visualizar na Fi-gura 12, já representava um avanço tecnológico signifi-cativo no que tange aos modelos de aerogeradores cons-truídos até então. Com capacidade de geração de 100 kW em corrente alternada, era interligado a uma linha de transmissão de 6,3 kV com extensão de 30 km que ia até uma usina termelétrica com capacidade de 20 MW. O aerogerador balaclava foi bem-sucedido em seu propósi-to de integrar e conectar um aerogerador com uma usina termelétrica.

Outros modelos mais avançados e com maior capaci-dade, entre 1 MW e 5MW, foram projetados e colocados em operação, posteriormente. Entretanto, alguns desses projetos não foram concluídos devido a alguns fatores da época, tais como a concorrência com as tecnologias oriundas dos combustíveis fósseis, que acabavam sen-do mais viáveis economicamente para os realizadores dos projetos. O período de escassez de projetos de aerogeradores de grande porte teve seu fim com o início da Segunda Guerra Mundial (1938 – 1945), quando aerogeradores de grande e médio porte foram construídos, pois os países envolvidos nos esforços de guerra estavam determinados a economizar combustíveis fósseis para garantir suas operações estratégicas no con-flito mundial. A iniciativa da construção do maior aerogerador até então projetado, partiu dos norte-ameri-canos. Foi batizado de aerogerador Smith-Putnam, cujas principais características eram:

- Diâmetro das pás de 53,3 metros.- Torre com 33,5 metros de altura.- Duas pás rotativas de 16 toneladas.

O Smith-Putnam operou de 1941 até o ano de 1945 quando uma de suas pás sofreu ruptura por fadiga devido ao regime severo de operação na época e, possivelmente, à manutenção precária. Com o término da Segunda Guerra Mundial, a utilização dos combustíveis fósseis voltou a ganhar notoriedade no cenário mundial, pois muitos de seus defensores argumentavam que suas vantagens econômicas e a competitivi-dade eram amplamente superiores às tecnologias dos aerogeradores. Seguindo essa linha de pensamento, diversas usinas hidrelétricas foram construídas e o petróleo e seus derivados se consolidaram pelas mais diversas nações do planeta. Nesse novo cenário, a construção de novos aerogeradores ficou restrita à pes-quisa científica e estudos voltados para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas aeronáuticas voltadas para produção de pás mais eficientes e melhorias nos sistemas de geração.

Um dos países que mais se destacaram quanto à utilização da energia eólica no pós-guerra foi a Dinamar-ca, país com ausência expressiva de recursos naturais, viu na energia eólica uma oportunidade para suprir a crescente demanda interna por energia elétrica, situação ainda mais agravada pelo fato de que no cenário internacional o consumo de óleo combustível estava aumentando consideravelmente, o que fez com que um racionamento logo fosse necessário. O trabalho de dois cientistas dinamarqueses, Poul La Cour (1846

12. Aerogerador balaclava.Fonte: https://www.portal-energia.com/downloads/aulas/Aula01_historia.pdf

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– 1908) e Johannes Juul (1887 – 1969) foi fundamental para que o país avançasse e, posteriormente, se tornasse uma referência continental nas operações envolvendo energia eólica.

Na década de 50 do século XX, os franceses promoveram avanços significativos tanto no campo da pes-quisa quanto da construção de aerogeradores de grande porte conectados à rede elétrica. Com destaque para o período compreendido entre os anos de 1958 a 1966, no qual foram construídos três aerogeradores de eixo horizontal e três pás. Os modelos apresentavam as seguintes características:

- Diâmetro das pás de 30 metros.- Potência de 800 kW.- Conexão à rede elétrica.- Velocidade dos ventos de aproximadamente 16,5 m/s.

Como legado dos franceses ficou o excelente funcionamento desses aerogeradores ligados à rede elétri-ca de corrente contínua, porém as partes mecânicas não tiveram o mesmo êxito e logo apresentaram falhas durante o funcionamento. O que foi sendo ajustado gradativamente no projeto e construção de mais dois aerogeradores com características diferentes e utilização de técnicas mais robustas para aproveitamento do regime de ventos da região.

No embalo do progresso da energia eólica no continente europeu, os alemães revolucionaram a área por meio da construção e operação do aerogerador mais moderno e com o maior número de inovações feitas até então. O modelo alemão apresentava alguns diferenciais tais como: rotor mais leve, torres compostas por tubos estaiados, amortecimento do sistema de orientação através de alguns rotores localizados na par-te lateral. Suas características básicas eram: diâmetro das pás de 34 metros, potência de operação de 100 kW e velocidade dos ventos de 8 m/s, esteve em efetiva operação de 1957 até o ano de 1968, totalizando cerca de 4.000 horas de operação. O projeto foi encerrado em 1968 por falta de recursos financeiros para o seu seguimento, e curiosamente quando as partes mecânicas foram desmontadas, percebeu-se que as pás estavam praticamente intactas e em bom estado de conservação.

4.2 Crescimento da energia eólica instalada

Na década de 90 houve um grande salto no crescimento da utilização da energia eólica como alternativa na composição da matriz energética dos países. Esse fato impulsionou também o crescimento da indústria de produção de componentes, peças e serviços ligados às instalações de energia eólica. Foi também nesse período que surgiram os chamados parques eólicos, conforme ilustrado na Figura 13, e a potência instalada aumentou, principalmente, nos países privilegiados com o regime regular de ventos.

13. Parque Eólico.Fonte: https://pixabay.com/pt/photos/parque-e%C3%B3lico-usinas-e%C3%B3licas-1279726/

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A energia eólica provém da radiação solar, uma vez que os ventos são gerados pelo aquecimento não uni-forme da superfície terrestre (DUTRA, 2008). O regime de ventos, por assim dizer, tanto os que se manifestam em nível global, quanto aqueles de nível local, são diretamente influenciados por alguns fatores: altura do local, relevo e formação geológica, possíveis obstáculos, rugosidade.

4.3 Geração dos ventos

Para entendermos os chamados mecanismos de geração dos ventos, precisamos entender um pouco mais sobre o processo de formação dos ventos e a influência da energia solar. De modo resumido, a energia eólica é uma forma de energia proveniente do sol, de modo que o surgimento dos ventos é ocasionado diretamente pelo aquecimento da atmosfera. Este aquecimento é diferenciado em alguns pontos da atmosfera, o que ocorre devido a alguns fatores, tais como: os movimentos do planeta terra e a orientação dos raios solares. Nas regiões mais próximas aos trópicos, os raios solares penetram de modo mais intenso, o que explica o fato de que essas regiões são mais aquecidas que as regiões polares. De acordo com alguns princípios da geografia física, a forma-ção dos ventos é determinada, prioritariamente, pelo deslocamento das massas de ar.

https://www.youtube.com/watch?v=JuxZTgWEKfs

Como se formam os ventos?

Assista ao vídeo! Ele ajudará você a compreender melhor esse importante fenômeno para a vida no planeta.

MÍDIAS INTEGRADAS

Alguns locais em nosso planeta apresentam um regime constante de ventos, pois os fatores que determinam sua produção estão sempre presentes. Esses ventos são conhecidos como ventos planetários e podem ser clas-sificados em:

Classificação dos ventos planetários

Tipo Característica

Alísio Baixas altitudes

Contra-alísio Altas altitudes

Ventos do oeste Dos trópicos para os polos

Polares Dos polos para as zonas temperadasTabela 4. Ventos planetários.

Fonte: Cresesb (2016).

Levando em consideração que nosso Planeta Terra tem uma leve inclinação em seu eixo de aproximadamen-te 23,5°, tendo como referência sua órbita em torno do Sol. Esse fato ocasiona algumas variações pontuais na

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radiação solar, que é recebida pela Terra, o que consequentemente afetará o regime de ventos, tanto em sua regularidade quanto na sua intensidade. Desse fenômeno natural nascem os chamados ventos continentais, conhecidos como brisas e monções.

De acordo com Dutra (2008), as monções são ventos periódicos que mudam de direção a cada seis meses, aproximadamente. Como características básicas das monções, temos o fato de que seus ventos vão para uma determinada direção em uma estação do ano e na outra direção em uma estação diferente. Já as brisas são ventos que se caracterizam por vir do mar para os continentes e dos continentes para o mar. O surgimento das brisas está atrelado ao fato de as diversas superfícies, tais como os mares, continentes, terem capacidades dife-rentes de realizar a absorção, reflexão e emissão do calor recebido diretamente do sol. Esse fenômeno ocorre da seguinte maneira:

1) Durante o dia acontece um aumento expressivo na temperatura do ar atmosférico por causa da maior intensidade da reflexão dos raios solares pela Terra, como efeito geral, é formada uma corrente (fluxo) de ar que flui do mar para a terra firme, a chamada brisa marítima.

2) Já no período noturno, há uma tendência de que a queda da temperatura do Planeta Terra seja mais rápida que a das águas, o que faz com que o fluxo dos ventos seja da terra para o mar, fenômeno conhecido como brisa terrestre.

SAIBA MAIS Brisa MarítimaConheça maiores detalhes sobre esse fenômeno das regiões litorâneas, desde a sua

formação, efeitos e importância para a vida em nosso planeta. Para isso, não deixe de acessar e ler o artigo no link disponível abaixo.

Fonte: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/conveccao-brisas-maritimas.htm

VAMOS REFLETIR Brisas Marítimas x Brisas TerrestresGeralmente, a intensidade da brisa terrestre é menor que a da brisa marítima devido

à menor diferença de temperatura, que ocorre no período noturno.

Nos vales e montanhas, temos a manifestação de um outro fenômeno natural, os ventos locais. Esses ventos são associados às condições locais e particularidades geográficas de algumas regiões do planeta. No período diurno, o ar aquecido oriundo das encostas das montanhas sobre o ar frio acaba descendo para os vales para “compensar” o ar que acabou de subir. Quando chega a noite, a direção dos ventos é revertida, de modo que o vento frio das montanhas vai para os vales.

Como fatores que influenciam diretamente no regime dos ventos, podemos destacar:- variações periódicas na velocidade dos ventos, sobretudo em locais com desníveis de altura;- rugosidade da superfície ou local no qual o vento escoará, fato intensificado pelas características da vegeta-

ção, solo ou empreendimentos construídos;- obstruções e barreiras no percurso natural dos ventos;- formação do relevo que afetará a velocidade de escoamento.

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Os mapas topográficos mostram as informações e dados necessários para determinar o comportamento e tendência do regime dos ventos em uma região específica. Como ferramentas tecnológicas utilizadas para tal fim, temos as imagens geradas via satélite e os drones, que contribuem para uma análise mais apropria-da. O comportamento estatístico do vento sofre enorme influência da variação da velocidade no transcorrer do tempo.

14. Relevo montanhoso.Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Relevo_montanhoso_em_Caratinga_MG.jpg

4.4 Aerogeradores

Um aerogerador ou turbina eólica é um equipamento que utiliza energia cinética do vento, convertendo-a em energia elétrica. Como no processo é utilizado uma fonte de energia sem fim, denomina-se essa energia resultante de energia renovável, e também de energia eólica por ser utilizado o vento nesse processo (PORTA ENERGIA, 2016). Os aerogeradores, além de serem compostos, basicamente, por três componentes: rotor, eixo e um gerador de energia elétrica, dividem-se basicamente em dois tipos básicos: os de rotores de eixo vertical e os de eixo horizontal.

Segundo Tolmasquin (2016), os aerogeradores podem ainda ser classificados de acordo com a velocidade de rotação e o tipo de acionamento, sendo as topologias mais comuns:

l Velocidade fixa e caixa de engrenagem de múltiplo estágio; l Velocidade variável limitada e caixa de engrenagem de múltiplo estágio; l Velocidade variável e caixa de engrenagem de múltiplo estágio; l Acionamento direto e velocidade variável; l Velocidade variável e caixa de engrenagem de único estágio.

Quanto aos rotores, temos dois tipos principais: de eixo vertical e de eixo horizontal, sendo que grande parte das turbinas eólicas em operação no mundo hoje são de eixo horizontal, compostas por três pás robustas que realizam movimento circular ao redor de um eixo posicionado na horizontal, de modo que esse eixo deverá estar alinhado com a direção predominante dos ventos no local.

SAIBA MAIS Rotor com três pásOs rotores com três pás são mais comuns nos empreendimentos eólicos devido ao

fato de apresentarem uma maior eficiência aerodinâmica e uma relação satisfatória entre custo, velocidade de rotação, peso, estabilidade e ruído.

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O eixo de rotação dos rotores de eixo vertical cos-tuma ser perpendicular à direção dos ventos, sua ope-ração ocorre com ventos de qualquer direção. Entre as configurações possíveis para os rotores de eixo ver-tical, temos duas de maior destaque, Savonius e Dar-rieus. A primeira gera energia por meio da utilização de um mecanismo de transferência de quantidade de movimento, e a segunda, por sua vez se baseia na uti-lização direta das forças aerodinâmicas para propor-cionar a geração de energia elétrica. A diferença bási-ca entre esses dois tipos de rotores é que o Savonius apresenta baixa eficiência e velocidade e um alto tor-que, ao passo que o Darrieus apresenta um alto nível de eficiência e velocidade na sua operação. O grande empecilho para utilização em massa dos aerogeradores de eixo vertical nas instalações eólicas, está no fato de que o mesmo apresenta uma eficiência baixa, no caso do rotor Savonius, e um custo financeiro elevado no caso do rotor Darrieus. Segundo ABDI (2014), o custo demandado com a construção e operação de pás representa cerca de 22% dos custos totais de um aerogerador de eixo horizontal. A imagem a seguir mostra os tipos de rotores de aerogeradores existentes no mercado, o que permitirá uma melhor compreensão dos conceitos abor-dados sobre esse importante componente dos sistemas de energia eólica.

15. Rotores e aerogeradores.Fonte:Apostila da Empresa de Pesquisa Energética (EPE) – 2016.

Geração de energia elétrica por fonte eólica

Existem dois tipos de geração de energia por fonte eólica, uma é chamada de onshore e a outra é chamada de offshore. Pesquise na internet sobre esses termos e seus significados dentro do contexto da energia eólica.

PESQUISE

4.5 Componentes dos sistemas eólicos

Focaremos nossos estudos iniciais sobre os componentes dos sistemas eólicos nos aerogeradores, em espe-cial nos de eixo horizontal que apresentam em sua composição, algumas partes fundamentais para o seu perfei-to funcionamento, tais como: torre, pás, cubo, nacele e o gerador de energia elétrica, e em algumas instalações também temos a caixa de engrenagem. Vamos ver juntos os detalhes sobre cada um desses componentes?

4.5.1 Rotor

O rotor é um dos principais componentes de um aerogerador, de modo que tem uma responsabilidade alta no desempenho do aerogerador, desde a captação da energia eólica até o controle da turbina. Segundo Tolmas-quim apud ABDI (2014), o rotor é formado pelas pás, que são comumente três, e o cubo onde elas são fixadas. As pás são perfis aerodinâmicos que interagem com o vento, com o intuito de gerar torque no eixo. Elas são fabricadas em material compósito, como resina epóxi ou poliéster reforçado com fibra de vidro e/ou fibra de car-bono. As pás e os sistemas de controle angular estão localizados nos cubos do rotor, esses sistemas de controle proporcionam uma maior flexibilidade durante a operação das turbinas eólicas e isso ocorre da seguinte manei-ra: o sistema atua na alteração da direção das pás, o que implica na limitação da potência, ou então mantém a

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regularidade da velocidade da turbina.

4.5.2 Nacele

A nacele é uma carcaça/estrutura montada sobre a torre, onde se situam o gerador, a caixa de engrenagens (quando utilizada), todo o sistema de controle, medição do vento e motores para rotação do sistema para o me-lhor posicionamento em relação ao vento (CRESESB, 2016). A imagem a seguir ilustra os componentes internos de uma nacele que utiliza um gerador convencional.

Legendas dos itens da Figura 16:

1 – Controlador do cubo; 11 – Transformador de alta tensão; 2 – Controle pitch; 12 – Pás; 3 – Fixação das pás no cubo; 13 – Rolamento das pás; 4 – Eixo principal; 14 – Sistema de trava do rotor; 5 – Aquecedor de óleo; 15 – Sistema hidráulico; 6 – Caixa multiplicadora; 16 – Plataforma da nacele; 7 – Sistema de freios; 17 – Motores de posicionamento; 8 – Plataforma de serviços; 18 – Luva de acoplamento; 9 - Controladores e inversores; 19 – Gerador; 10 – Sensores de direção e velocidade do vento; 20 – Aquecimento de ar.

Normalmente, a nacele é construída em aço ou liga metálica de alta resistência. Sua principal função dentro do contexto da energia eólica é a de realizar a transferência da energia mecânica oriunda da turbina para o ge-rador de energia elétrica. Em alguns sistemas ainda existe a caixa de engrenagem, cuja função básica é elevar a rotação do rotor, de modo que a velocidade de trabalho do gerador seja alcançada.

4.5.3 Parque Eólico

O Parque Eólico, ilustrado pela Figura 17, é o que podemos chamar de representação máxima e mais co-

16. Interior de uma nacele com gerador convencional.Fonte: http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&lang=pt&cid=231

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mum da aplicação da energia eólica, pois esse tipo de instalação é composto pelo grupo de aerogeradores. Alguns parâ-metros iniciais devem ser obedecidos para que seja definida a localização dos parques, a fim de garantir um melhor aproveitamento do regime de ventos e, consequentemente, obter um melhor rendimento.

O trabalho inicial se concentra na construção das bases, que normalmen-te são feitas em concreto armado, para abrigarem as torres dos aerogeradores. Posteriormente, é feita a interligação dos aerogeradores até às subestações das companhias, por meio de cabos de força e de comando. Ao chegar às subestações, a energia elétrica passa por algumas etapas para garantir que chegue da forma adequada até o ponto que se deseja o fornecimento. Vale destacar também que a operação de um Parque Eólico é toda comandada por um centro de controle, localizado no próprio parque, que monitora em tempo real todos os parâmetros e condições de operação.

4.5.4 Gerador

Um gerador elétrico é o equipamento que tem capacidade de transformar a energia mecânica, química e solar em energia elétrica, sendo um dos principais equipamentos dentro de um sistema de energia eólica. É uma tecnologia bastante avançada e com muitos fabricantes por todo o mundo. Toda-via, no âmbito da conversão da energia eólica para elétrica, alguns desafios merecem atenção especial e de acordo com Cresesb (2016), esses pontos são:

1 – velocidade do vento variável no período, o que acarreta exigência de uma ampla faixa de rotações disponíveis por minuto para a geração de energia elétrica;

2 – exigência permanente de frequência e tensão constantes na energia final produzida;3 – isolamento geográfico dos sistemas, o que ocasiona grandes dificuldades na instalação, manutenção

e operação dos sistemas, principalmente nos casos em que são produzidos em pequena escala;4 – torque variável na entrada, já que quando há uma variação no vento, logo a potência final no eixo

também será afetada.

17. Parque Eólico em Osório – RS.Fonte:https://pixabay.com/pt/photos/parque-e%C3%B3lico-os%C3%B3rio-os%C3%B3rio-brasil-1403824/

18. Gerador. Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Projeto_32_-_Grupo_Gerador_Diesel.png

VOCABULÁRIO Torque

É a tendência que uma força tem de rotacionar um corpo sobre o qual ela é aplicada. Exemplo: ao trocar o pneu do seu carro, você utiliza uma chave para retirar os elementos de conexão. Nesse momento, você está “gerando torque” no sistema em questão.

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5.1 Aplicações

Os sistemas eólicos podem ser aplicados em três configurações diferentes: sistemas isolados, sistemas interligados à rede e sistemas híbridos. Cada qual com suas peculiaridades, vantagens e desvantagens, mas guardam algumas características em comum, como o fato de necessitarem de uma unidade que faça o controle de potência e, em alguns casos, necessitam de uma unidade de armazenamento. Vamos conhecer maiores detalhes sobre cada um dos sistemas e suas características principais.

5.1.1 Sistemas Isolados

Os sistemas isolados se caracteri-zam por geralmente utilizarem uma forma de armazenamento de energia. Comumente, esse armazenamento é feito por meio de baterias, quando o objetivo é a utilização de equipamen-tos elétricos, ou então esse armaze-namento é feito pela energia gravi-tacional, sendo a principal aplicação desse tipo de configuração, a estoca-gem de água bombeada em reserva-tórios para utilização. Existem alguns sistemas do tipo isolado que não pre-cisam do armazenamento de energia, como exemplo temos os sistemas de irrigação muito utilizados por atividades vinculadas à agricultura, nesse caso a água bombeada pelo sistema é consumida integralmente.

Para que os sistemas isolados que armazenam energia funcionem corretamente, é necessário que haja um dispositivo para controle da carga e descarga da bateria de alimentação. Esse dispositivo é chamado de controlador de carga, e sua principal função é a de evitar que alguns danos sejam causados na bateria, seja por sobrecarga ou descarga dela. Nos equipamentos e aparelhos que operam em corrente alternada (CA), a instalação de um dispositivo chamado inversor de frequência ajudará na geração de potência máxima pro-duzida. Veja abaixo uma imagem resumo dos sistemas isolados.

Perceba, na imagem acima, que o sistema isolado passa por algumas etapas, que vão desde a conversão da energia eólica, passando pelo controle e regulação das cargas da bateria, utilização do inversor de frequ-ência para maximização da potência no sistema e, por fim, chegando até os pontos de consumo de energia elétrica: eletrodomésticos, lâmpadas, computadores, geladeiras e outros.

5.2 Sistemas Híbridos

Os sistemas híbridos, desconectados da rede elétrica convencional, recebem esse nome devido ao fato de terem múltiplas fontes de geração de energia, tais como: turbinas, combustíveis, placas fotovoltaicas e outras. Por ter a possibilidade de utilizar várias formas de geração de energia, esse tipo de sistema é mais complexo e exige que a eficiência e rendimento de cada uma dessas fontes seja monitorado periodicamen-te. Nesse caso, a instalação de controladores e outros dispositivos de proteção e operação são necessários.

Esses sistemas costumam ter maior possibilidade de aplicação nos sistemas de médio a grande porte que atendem um número expressivo de usuários. Pelo alto grau de complexidade dos arranjos e grande número

19. Sistema isolado típico. Fonte: Apostila Energia Eólica Princípios e Tecnologia – Cresesb 2008.

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de opções, a otimização de cada sistema híbrido é bastante desafiadora e exige uma análise particular em cada aplicação individual.

VAMOS REFLETIR Sistemas híbridos e inversores de frequência

Como os sistemas híbridos trabalham com cargas em corrente alternada (CA), necessitam de um inversor de frequência para sua operação.

5.3 Sistemas Interligados à Rede

Nesse tipo de sistema, um alto número de aerogeradores é empregado e não há a necessidade de utiliza-ção de qualquer sistema de armazenamento de energia, pois devido a sua interligação com a rede elétrica, toda a energia gerada é consumida. Os sistemas interligados à rede trabalham tanto no abastecimento das demandas das residências, quanto na injeção de energia na rede elétrica convencional, o que pode ser uma alternativa bem válida para que as concessionárias de energia consigam complementar o quantitativo ne-cessário para atender picos de demanda ou situações emergenciais.

Os componentes básicos de um sistema interligado à rede são: geradores eólicos, retificadores e inver-sores de frequência. Deste modo, o inversor de frequência deverá efetuar a sincronização do sistema como um todo com a rede elétrica convencional, garantindo dessa forma o funcionamento adequado do sistema e o máximo rendimento. A eliminação da necessidade de baterias é justificada pelo fato de o sistema estar constantemente ligado à rede, o que em uma eventual situação de falta de energia será compensada pela própria interligação na rede.

5.4 Sistemas Offshore

Antes de falarmos sobre os sistemas offshore propriamente ditos, precisamos entender o que significa esse termo que é oriundo da Língua Inglesa. Em uma rápida consulta pela internet, temos a seguinte defi-nição:

Offshore é um termo da Língua Inglesa que significa “afastado da costa” (SIGNIFICADOS, 2019). Portan-to, entendemos que offshore está vinculado a algo que não está em terra firme, ou seja, contextualizando essa definição nos sistemas eólicos, são sistemas que em sua grande maioria estão localizados no mar. As instalações eólicas do tipo offshore (Figura 20) simbolizam um grande marco na aplicação da energia eólica a nível mundial, pois a complexidade e adaptação de tecnologias para realizar esse tipo de empreendimen-to exige um esforço coletivo de todos os envolvidos, desde a produção dos componentes até a logística de transporte, instalação e operação efetiva. O projeto desse tipo de instalação deve ser minucioso quanto ao aproveitamento dos melhores períodos das condições marítimas para proporcionar um rendimento satisfa-tório e total segurança na operação de todos os componentes da instalação.

SAIBA MAIS Parques Eólicos em terraSe as instalações de Parques Eólicos localizados no mar são chamadas de offshore,

as instalações em terra firme recebem o nome de onshore.

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As instalações eólicas do tipo offshore têm maior presença nos países em que a extensão territorial é pequena, e que os espaços internos são limitados ou já destinados para outras atividades. Também vale destacar que nesses países o regime de ventos e as condições marítimas devem ser favoráveis para a criação e instalação desse tipo de empreendimento.

Normalmente, esse tipo de instalação é dividida em duas categorias: centralizada, distribuída. A pri-meira categoria, a centralizada, caracteriza-se por utilizar aerogeradores de grande porte em sua ope-ração, com capacidade superior a 100 KW, de modo que o somatório de todos os aerogeradores instala-dos em um determinado local formam um parque eólico, que é interligado à rede elétrica local ou nacional para distribuição da energia até o consumidor final. Já a segunda categoria, distribuída, conforme o próprio nome sugere, fornecem energia elétrica diretamente para as residências, estabelecimentos comerciais, in-dústrias, órgãos públicos e outros. Sua operação pode ser feita de modo independente, ou seja, seus aero-geradores fornecem energia para determinados locais que não estão ligados à rede, no caso de uma opção mais econômica, ou então em uma situação em que a empresa responsável pelo fornecimento de energia não consiga operar tecnicamente em uma região específica.

6.1 Energia Eólica no Brasil

De acordo com o Boletim Anual de geração eólica da Associação Brasileira de Energia Eólica (Abeeólica), no ano de 2018 foram instalados 75 novos parques eólicos no país, totalizando uma capacidade de 1,94 MW. Entre os estados contemplados com essas novas instalações estão: Bahia, Rio Grande do Norte, Piauí, Ceará e Maranhão. Nosso país conta hoje com cerca de 601 usinas eólicas, tendo uma capacidade total instalada de 15 GW, de modo que a capacidade em construção é de 4,6 GW.

A história da energia eólica no Brasil se inicia no ano de 1992, quando foi instalado o primeiro aeroge-rador no país, no arquipelágo de Fernando de Noronha, em Pernambuco. A potência desse primeiro aero-gerador instalado em território brasileiro era de 225 kW, sendo o primeiro em efetiva operação na América do Sul. Todavia, esse primeiro empreendimento de energia eólica no país não prosperou devido à falta de políticas públicas que estimulassem o progresso da energia eólica, além dos altos custos envolvidos com a nova tecnologia.

O panorama da energia eólica no Brasil começou a mudar depois da crise energética que o país sofreu em 2001, conhecida como apagão. Nesse episódio, o governo federal buscou a energia eólica como alternativa, por meio da criação do Programa Emergencial de Energia Eólica (PROEÓLICA), sendo o objetivo cen-tral desse programa a compra de cerca de 1.050 MW de energia eólica até o ano de 2003. Assim, como o primeiro empreendimento de energia eólica no Brasil, o programa também não foi para a frente e acabou sendo substituído pelo Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA).

Segundo Tolmasquim apud Brasil (2002), o PROINFA, criado por meio da Lei n°10.438/2002 tinha como objetivos principais: promover uma maior diversificação da matriz energética nacional; gerar segurança e confiabilidade no abastecimento de energia elétrica; implementar soluções com atenção especial para as peculiaridades e potencialidades de cada região do país, abertura de postos de trabalho diretos e in-diretos, qualificação profissional e formação de mão de obra, além de claro, a redução significativa dos impactos ambientais. Alguns subsídios governamentais foram concedidos nesse período de modo a pos-

20. Sistema eólico offshore. Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Middelgrunden_wind_farm_2009-07-01_edit_filtered.jpg

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sibilitar a expansão e consolidação da utilização da energia eólica no país. Um dos mais importantes sub-sídios nesse sentido foi a alteração do artigo 26 da Lei nº 9.427 de 26 de dezembro de 1996, em que ficou estabelecida uma redução de até 50% nas tarifas relacionadas ao uso dos sistemas elétricos de transmis-são e de distribuição, resultando diretamente na geração e consumo da energia ligada à matriz eólica. O programa avançou a partir do ano de 2004 quando foram definidas algumas taxas de custeio incluídas na conta de energia do consumidor. Como resultado instantâneo, houve a contratação de 1.304 MW de energia eólica no país. Outros benefícios deixados pelo programa foram:l possibilidade de viabilização técnica, econômica e socioambiental na operação de diversos parques eólicos;l introdução de regras, recomendações normativas e marcos regulatórios da energia eólica no país;l estímulo à indústria local voltada para a produção e comercialização de componentes e acessórios de

instalações eólicas, assim como de outras fontes renováveis que faziam parte do programa.

A energia eólica nacional ganharia um novo impulso em âmbito nacional no ano de 2007, quando foi realizado o primeiro Leilão de Fontes Alternativas de Energia, porém nesse leilão não houve contratação da fonte eólica, o que só veio a ocorrer em um novo leilão exclusivo realizado no ano de 2009. Depois disso, a oferta de energia eólica esteve presente em outros 15 leilões realizados no país.

Em paralelo à realização de leilões e expansão da oferta de energia eólica no país, surge também o mer-cado livre, no qual as condições são negociadas diretamente entre vendedores e potenciais compradores. Esse mercado cresceu e ganhou um grande número de adeptos nos últimos anos. Segundo a Associação Brasileira de Energia Eólica (Abeeólica), no ano de 2015, esse mercado comercializava cerca de 107 parques, totalizando 2.250 MW de capacidade instalada. Entre os anos de 2009 e 2015, a contratação de energia eó-lica no ambiente regulado chegou ao número de 14.626 MW, beneficiado pela alta taxa de competitividade da energia no país, custos relativamente baixos nos leilões e a qualidade da recurso eólico nacional.

No ano de 2018 foram gerados 48,42 TWh de energia eólica. Em comparação com 2017, a produção de energia dos ventos foi superior em 14,6%. A geração média de 2018 foi de 5.515,8 MW médios e o recorde foi em setembro, quando a geração atingiu a marca de 7.694,6 MW médios (ABEEOLICA, 2019).

ATIVIDADE DE APRENDIZAGEM 1- Quando foi registrado o primeiro histórico de aplicação da energia eólica? Qual era

a finalidade inicial?2 – Qual é a origem da Energia Eólica?3 – Como são gerados os ventos? Como podemos classificá-los?

4 – O que são monções e brisas?5 – Explique, com suas palavras, o que é um aerogerador?6 – Quais fatores interferem diretamente no regime dos ventos?7 – O que são aerogeradores e qual sua finalidade principal?8 – Comente sobre os principais componentes dos sistemas eólicos para geração de energia.9 – O que é um Parque Eólico?10 – Classifique e dê exemplos de sistemas eólicos para geração de energia.

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Energia hidráulica

UNIDADE V

5. Introdução

A hidroeletricidade tem sido a prin-cipal fonte de geração do sistema brasi-leiro por várias décadas, tanto pela sua competitividade econômica quanto pela abundância deste recurso energético a nível nacional. Trata-se de uma tecno-logia madura e confiável que, no atual contexto de maior preocupação com as emissões de gases de efeito estufa, apresenta a vantagem adicional de ser uma fonte renovável de geração (TOL-MASQUIM, 2016). Como o nosso país possui a maior reserva mundial de re-cursos hídricos, as hidrelétricas já foram responsáveis por 70% da geração de ele-tricidade no país, todavia com as inúme-ras crises hídricas ocorridas no país nos últimos anos, a participação da energia hidrelétrica na matriz nacional vem caindo desde 2012. Vamos dar uma olhada no gráfico a seguir, referente à Matriz Elétrica Brasileira do ano de 2017.

Conforme os dados mostrados no gráfico, percebemos que a energia hidráulica ainda ocupa mais da metade da matriz elétrica, explicado pelo fato de o país ter investido pesadamente na estrutura voltada para esse tipo de energia durante os anos 70 e ser considerada uma “energia limpa”.

O período de grande expansão econômica que nosso país experimentou nos anos 70, sendo denominada como a “década da prosperidade”, fez com que grandes empreendimentos fossem construídos e colocados em operação por todo o território nacional. Com destaque para as obras de grandes centrais hidrelétrica, como a Usi-na Hidrelétrica de Itaipu, cuja construção iniciou-se em 1975 e foi inaugurada em 1984. Com a chegada dos anos 80, uma crise econômica mundial afetou grande parte dos países e gerou um grande período de recessão, o que impactou diretamente na diminuição dos investimentos voltados para a construção de novas usinas hidrelétricas. Nos anos 90, o cenário não se alterou muito e a expansão na oferta de energia hidrelétrica foi pequena. Como consequência direta desse período de pequenos investimentos na expansão da oferta de energia interna no país, houve o racionamento de energia em 2001 no sistema elétrico nacional que já comentamos anteriormente.

21. Matriz Elétrica Brasileira – 2017. Fonte: http://www.epe.gov.br/pt/abcdenergia/matriz-energetica-e-eletrica

SAIBA MAIS Usina Hidrelétrica de ItaipuA Usina Hidrelétrica de Itaipu, inaugurada em 1984, em um acordo de cooperação

entre Brasil e Paraguai, foi a maior usina do planeta em termos de capacidade instalada até o ano de 2012, quando a Usina Hidrelétrica das Três Gargantas na China atingiu maior capacidade. Todavia, em termos de geração de energia, Itaipu permanece em primeiro lugar.

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O consumo de energia no país cresceu de modo acelerado na série histórica que vai do ano de 1970 até 2007, impulsionado pelo aumento da população e, consequentemente, unidades consumidoras ligadas diretamente à rede elétrica convencional. Essa situação deixa em evidência um grande disparate nacional, o consumo está aumentando significativamente mais do que a capacidade de produção , o que leva a efei-tos colaterais imediatos, tais como: esgotamento dos recursos energéticos, impactos no meio ambiente, necessidade de diversificação da matriz energética, incorporação de fontes de energia renováveis.

Uma das principais alternativas para solucionar o entrave nacional quanto à geração de energia oriunda de fonte hidráulica é a construção das chamadas Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs). As principais ca-racterísticas desse tipo de instalação são:

- utilização de reservatórios mínimos;- produção independente de energia elétrica;- potência igual ou inferior a 30 mil kW;- contribuição ativa para o desenvolvimento energético e social no país.

No decorrer dos anos 80 foi criado o Programa Nacional de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PNPCHs), com o objetivo central de ampliar a oferta de energia elétrica no país, além de levá-la aos locais mais inaces-síveis do país. Outros objetivos traçados no programa foram:

- fomento à mão de obra especializada e ao desenvolvimento da indústria nacional e local;- atendimento às áreas rurais como alternativa viável à construção de novas linhas de transmissão;- apoio direto e efetivo às demandas de energia elétrica dos setores produtivos das regiões nas quais

foram instaladas;- priorização na compra de equipamentos, materiais e suprimentos de fabricação nacional para constru-

ção e operação das PCHs.

A operação das Pequenas Centrais Hidrelétricas exerceu um forte impacto social, principalmente nas regiões norte e nordeste do país, locais nos quais existem muitas regiões que ainda não estavam integradas com os grandes núcleos urbanos, e como consequência sem um abastecimento regular de energia elétrica. A chegada da energia elétrica nessas localidades proporcionou um aumento expressivo na qualidade de vida das pessoas, por meio do acesso aos serviços básicos na área da saúde, educação e a possibilidade de estocar e conservar os alimentos nos refrigeradores. Cabe ressaltar também o fato de que algumas regiões em nosso país são propícias para instalação de novas PCHs devido as suas características hidrológicas, topo-gráficas e geológicas. A seguir, veremos um quadro com a atual classificação das PCHs, de acordo com alguns parâmetros: produção, altura de queda.

Classificação das Pequenas Centrais Hidrelétricas

Categoria Produção Altura de queda

PCH Entre 3 MW e 50 MW Entre 25 e 130 metros

Minicentral Entre 100 kW e 3 MW Entre 20 e 100 metros

Microcentral Até 100 kW Entre 15 e 50 metros

Tabela 5. Classificação de Pequenas Centrais Hidrelétricas. Fonte: (MAUAD; FERREIRA; TRINDADE, 2017).

5.1 Custos

Vários são os custos envolvidos na instalação, operação e manutenção das usinas hidrelétricas em todo o ter-ritório nacional. Esses custos são influenciados por diversos fatores, tais como as características e particularidades

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de cada região, valor da mão de obra operacional, custos associados com projetos e instalação de máquinas e equipamentos. Em uma comparação básica, as Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) apresentam menor custo de instalação e período de retorno de investimento mais curto, quando comparada aos grandes empreendimen-tos hidrelétricos. Fato esse, obviamente justificado, pela diferença de potência instalada e impactos decorrentes da operação desse tipo de construção. Também deve ser levado em conta que as PCHs são mais simples de cons-truir e operar, devido ao seu projeto seguir uma certa padronização de algumas partes, o que certamente diminui custos e acaba por otimizar alguns recursos existentes.

Para a construção de uma PCH, alguns estudos de viabilidade técnica e econômica são conduzidos por uma série de profissionais de diferentes áreas, de modo que cada um desses estudos é integrado ao final para que uma decisão seja tomada, ou seja, a construção e operação é integralmente viável ou não? Alguns pontos são relevantes e merecem destaque nas análises feitas, como por exemplo:

- vida útil do empreendimento;- tempo de retorno do investimento;- capital inicial investido;- investimentos a serem feitos antes da operação;- custos com manutenção e operação;- juros incidentes sobre eventuais financiamentos ou empréstimos contraídos.

A distribuição percentual do investimento inicial da construção de uma PCH está detalhada no gráfico a seguir (MAUAD; FERREIRA; ANDRADE, 2017).

22. Custos de uma PCH típica. Fonte: Mauad, Ferreira e Andrade (2017) apud Adrada, Mancebo e Martineza (2013).

As Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) são classificadas de acordo com a interação dos seus elementos constituintes. Basicamente, esse tipo de empreendimento compreende a captação e condução da água até uma casa de máquinas, localizada na maioria das vezes na parte superior da barragem, onde será feita a conversão

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da energia hidráulica oriunda das forças das águas em energia elétrica. De um modo geral, são classificadas em:l Pequena Central de Baixa Queda.l Pequena Central Afastada na Queda.l Pequena Central Afastada da Queda sem Canal.l Pequena Central com Alta Queda e Próxima da Barragem.

Tipos de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs)

Agora que você conhece alguns tipos de Pequenas Centrais Hidrelétricas, que tal pesquisar um pouco mais sobre o assunto no link abaixo?

PESQUISE

https://abrapch.org.br/2014/03/17/o-que-sao-pchs-e-cghs/

Por outro lado, temos também as chamadas Centrais Geradoras Hidráulicas (CGHs), que nada mais são que pequenas usinas com potência instalada máxima de até 1 MW. O processo de implantação de uma CGH é mais simples se comparada às PCHs, pois o licenciamento é menos exigente. A elaboração do projeto básico e do inventário são dispensáveis, havendo apenas a necessidade de comunicação junto ao órgão competente para informar sobre o desejo de construir esse novo empreendimento. Segundo a Agência Nacional de Energia Elétri-ca (ANEEL), existem no Brasil cerca de 446 CGHs em operação, totalizando uma potência de aproximadamente 272.886 kW. As principais diferenças entre as PCHs e as CGHs estão resumidas na tabela abaixo:

PCH x CGH

Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) Centrais Geradoras Hidráulicas (CGHs)

Potência instalada de 1 a 30 MW Potência máxima de 1MW

Exigência de estudo de inventário e projeto básico Comunicação de instalação às autoridades

Cinco anos para implantação em média Dois anos e meio para implantação em média

Demanda maior de área para construção Construída em áreas relativamente pequenas

Tabela 6. Diferenças entre PCHs e CGHs. Fonte: Acervo do Autor.

5.2 Funcionamento da Energia Hidráulica

O que conhecemos na prática como energia hidráulica, tem sua origem na radiação solar e na energia poten-cial gravitacional. Resumidamente, o processo ocorre da seguinte maneira: 1) A força gravitacional e a presença dos raios solares criam as condições ideais para que ocorram três processos fundamentais: evaporação, conden-sação e a precipitação da água ao longo da superfície do nosso planeta. 2) A formação topográfica original de algumas regiões faz com que surjam alguns desníveis (quedas) nos volumes totais de água, esse fato é fundamen-tal para a existência das usinas hidrelétricas, pois o potencial gerado por esses desníveis é aproveitado por esse tipo de instalação. Portanto, a potência de uma usina hidrelétrica é uma combinação direta entre o rendimento, aceleração da gravidade, vazão, massa específica e queda líquida.

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5.3 Barragem

A barragem, conforme mostrado na Figura 24, é um importante componente na operação de uma usina hi-drelétrica, pois é por meio dela que se consegue a formação de um desnível de água, gerando uma queda que, consequentemente, criará um potencial energético a ser aproveitado. Em algumas usinas e aplicações específi-cas, a barragem tem a função de manter uma vazão regular no sistema através do armazenamento da água.

Entre os principais tipos e arranjos funcionais existentes para as barragens atualmente, temos as barragens de terra, barragens de enrocamento, barragens mistas e as que são construídas em concreto compactado. Quanto ao dimensionamento e escolha das barragens, alguns critérios básicos devem ser analisados, tais como:

- características do vale no qual estará o eixo da barragem;- levantamento e definição dos custos envolvidos;- oferta de materiais e mão de obra qualificada disponível;- estudos detalhados quanto aos possíveis impactos ambientais e sociais;- integração entre as equipes envolvidas no projeto e operação;- formação geológica e topográfica do local.

O fluxo de água oriundo do reservatório vai até as turbinas que estão na casa de força, por meio de condutos ou túneis ou canais apropriados para essa condução. Na casa de força estão localizados os equi-pamentos responsáveis pelo auxílio na geração de energia, os sistemas de resfriamento de fluidos, filtros, além de outras máquinas e equipamentos que ajuda-rão nos serviços de montagem, manutenção e ajustes dentro da usina como um todo.

Os elementos básicos de uma instalação típica de usina hidrelétrica são: barragem, sistema de captação e adu-ção de água, casa de força, reservatório, canal, rio e linhas de transmissão. A imagem a seguir mostra, de forma mais clara, todos esses componentes e a contribuição individual de cada um no sistema como um todo.

23. Componentes de Usina Hidrelétrica.Fonte: TOLMASQUIM apud ANEEL (2008).

24. Barragem do Chança na Espanha.Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Barragem_do_Chan%C3%A7a.JPG

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25. Eixo central da turbina.Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Eixo_da_Turbina_-_Usina_Hidrel%C3%A9trica_de_Rosana_-_SP_-_panoramio.jpg

5.4 Turbina

A turbina é um equipamento cuja finalidade principal dentro de um empreendimento hidrelétrico é realizar a conversão de energia. Nesse caso, a conversão ocorre da energia potencial hidráulica, que vem do desnível de água para energia mecânica no eixo da turbina, que é utilizada pelo gerador de energia para finalmente ser convertida em energia elétrica. Algumas tubulações hidráulicas estão localizadas na turbina, de modo que a água passa por elas até chegar às pás do rotor, o qual transmitirá o torque gerado ao eixo. O rendimento final de uma turbina está condicionado a alguns fatores como o formato das tubulações hidráulicas e o regime de operação do equipamento.

De acordo com Tolmasquim (2016), as turbinas podem ser classificadas conforme alguns critérios técnicos, tais como: posição do eixo, tipo de rotor, direção do escoamento, controle de vazão, formato entre outras classi-ficações. Nas usinas hidrelétricas, as mais utilizadas são:

- Turbina Francis Simples Horizontal;- Turbina Francis Vertical;- Turbina Francis Dupla (Gêmea) Horizontal;- Turbina Francis Horizontal de Caixa Aberta;- Turbina Francis Vertical de Caixa Aberta;- Turbina Kaplan Vertical; - Turbina Hélice Vertical;- Turbina Hélice Horizontal;- Turbina Bulbo Horizontal;- Turbina Poço Horizontal;- Turbina Saxo Vertical;- Turbina Pelton Vertical;- Turbina Michell-Banki.

Na imagem a seguir temos em destaque o eixo de uma turbina, no centro da imagem em cor laranja, em ope-ração na Usina Hidrelétrica de Rosana – SP.

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A seleção do tipo de turbina para uma determinada usina hidrelétrica levará em consideração uma série de fatores que vão desde o custo até a sua performance operacional. As características das usinas também deverão ser levadas em consideração, sobretudo a qualidade da água, topografia do local e as vazões de operação. As oportunidades que podem ser exploradas em um processo de fabricação de uma turbina são inúmeras, indo desde as diversas geometrias construtivas, adaptação das formas às funções dos componentes internos como mancais, eixos, seleção de materiais com características e resistências específicas. A manutenção e conservação desse equipamento deve ser feita com periodicidade definida, obedecendo, criteriosamente, a um plano de manutenção preventiva que contemple desde os elementos de fixação: porcas, parafusos e arruelas, até os ele-mentos de maior complexidade, tais como: eixos e mancais.

Nas usinas hidrelétricas de grande porte, é comum que as turbinas sejam submetidas a alguns ensaios, conhe-cidos por serem feitos de forma mais resumida, no qual são verificados alguns aspectos funcionais da turbina que irá operar posteriormente, entre esses aspectos estão: estabilidade hidráulica dos componentes, rendimento, potência mecânica e cavitação.

VOCABULÁRIO Cavitação

É o nome que se dá ao fenômeno de vaporização de um líquido pela redução da pressão, durante seu movimento.

Fonte: https://www.dicionarioinformal.com.br/cavita%C3%A7%C3%A3o/

5.5 Classificação

Os empreendimentos hidrelétricos se caracterizam por representarem de forma mais ampla o conceito de solução tecnológica, pois devem estar em total conformidade com as particularidades do local a ser instalada. As diferenças de uma instalação para outra estão no tamanho, capacidade geradora e abrangência da distribuição de energia elétrica. Tolmasquim apud Agência Internacional de Energia (2012) estabelece uma classificação das usinas hidrelétricas em três categorias principais: usinas com reservatório de acumulação, usinas a fio d’água e usinas hidrelétricas reversíveis. Vejamos em maiores detalhes cada uma delas nos tópicos abaixo.

5.5.1 Usinas com Reservatório de Acumulação

As usinas com Reservatório de Acumulação, como o próprio nome diz, possuem capacidade de acumular um alto volume de água em suas dependências. Esse fato é fundamental nos períodos de estiagem e baixo regime de chuvas, pois esse tipo de usina consegue continuar suprindo a demanda de energia elétrica de uma determinada região em um período de secas severas ou condições que impossibilitem a geração por outras usinas.

Esses reservatórios, por acumularem uma grande quantidade de água, têm a qualidade de regular a vazão do rio durante muitos anos, independente de mudanças climáticas, possibilitando a geração de energia elétrica pelas diversas usinas construídas a jusante, ou seja, após a mesma usina no sentido da sua foz, sem serem obrigadas a diminuir sua capacidade de geração (ILUMINA, 2010). A construção desses reservatórios pode acarretar uma série de benefícios para a sociedade geral. Vamos ver alguns abaixo:

- auxílio diretamente no controle de eventuais cheias nos rios e lagos;- utilização mais versátil da água;- transporte, abastecimento de cidades vizinhas;

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- atendimento às atividades agrícolas;- atividades recreativas.

5.5.2 Usinas a fio d’água

As chamadas usinas a fio d’água têm sua operação basicamente destinada a produzir energia elétrica de acordo com o volume de água que adentra em seus reservatórios, ou seja, quase não há acúmulo ou estoque de água no transcorrer de suas operações, o que garante certa flexibilidade por um lado, mas pode comprometer o funcionamento a longo prazo, no caso de variações mais bruscas no volume de chuvas ou períodos de estiagem mais longas. De acordo com a Resolução Normativa 425 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), uma usina classificada como fio d´água é aquela que utiliza reservatório com acumulação suficiente apenas para pro-ver regularização diária ou semanal, ou ainda que utilize diretamente a vazão afluente de aproveitamento.

SAIBA MAIS Usinas hidrelétricas a fio d’água

Para saber mais informações sobre as Usinas Hidrelétricas a fio d’água, acesse o texto integral da Resolução Normativa n° 425 da ANEEL no link abaixo.

http://www2.aneel.gov.br/cedoc/ren2011425.pdf

5.5.3 Usinas Hidrelétricas Reversíveis

As Usinas Hidrelétricas Reversíveis (UHEs) são hidrelétricas motorizadas com grupos Turbina-Bomba, que ba-sicamente tem um reservatório superior e um reservatório inferior. Estes locais alternam geração de energia do reservatório superior para o inferior quando houver demanda no sistema e bombeamento do reservatório infe-rior para o superior quando houver excedente de energia, geralmente em horários de baixa demanda e preços mais baixos da energia (CBDB, 2014).

Partindo dessa definição mais ampla, podemos concluir que as hidrelétricas reversíveis cumprem um papel importante dentro do sistema nacional de abastecimento de energia elétrica, pois conseguem atender as even-tuais variações, tanto relacionadas ao excesso quanto à falta de energia, de modo que essas variações possam durar desde algumas horas até mesmo alguns dias. Esse fato é possível graças a um sofisticado nível de tecnolo-gia existente nas instalações reversíveis, fornecendo uma resposta em um curto período na geração de energia, assim como na reversão do sistema para bombeamento. São importantes aliadas no complemento da matriz energética, pois as usinas eólicas e solares podem apresentar períodos de baixa capacidade de geração, devido à disponibilidade dos raios solares e dos ventos. Dessa forma, as reversíveis atuam no fornecimento e na regulação da oferta de energia elétrica, quando essas usinas não conseguirem suprir todas as demandas de uma determi-nada região.

Em sua operação cotidiana, as UHEs reversíveis também contribuem de modo bastante eficaz com a dimi-nuição dos impactos ambientais e economia de recursos, pois não necessitam da construção de grandes reser-vatórios de água e apresentam uma viabilidade maior quando são construídas próximas aos grandes pontos de consumo urbanos e industriais, além de aproveitarem bem as quedas no fluxo de água para posterior geração de energia. Ao contrário das hidrelétricas convencionais, as hidrelétricas reversíveis realizam o armazenamento de água por meio de dois reservatórios, uma chamada de superior e a outra inferior, que trabalham de forma

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sincronizada de modo a garantir o revezamento entre a geração e bombeamento de água em intervalos curtos, sendo que em algumas instalações essa alternância pode acontecer várias vezes ao dia. Para que você possa compreender melhor, observe com atenção o diagrama da Figura 26, que explica o fluxo dos reservatórios, tanto para a geração quanto para o bombeamento.

A capacidade total dos reservatórios e os cálculos que determinarão a capacidade total da usina são objetos de projetos e estudos individuais, dependendo de cada aplicação específica. A viabilidade desse tipo de empre-endimento é analisada de modo criterioso, buscando sempre maximizar os seus benefícios em detrimento dos impactos negativos. Alguns parâmetros guiam os avaliadores no sentido de determinar a efetiva viabilidade das usinas reversíveis, sendo eles:

- rapidez no atendimento aos grandes centros de consumo;- qualidade na oferta de energia elétrica;- capacidade de atuar conjuntamente com outras usinas, tais como eólica e solar, de modo a oferecer suporte

em períodos críticos;- flexibilidade em suas operações de geração e bombeamento de água;- confiabilidade das tecnologias e processos internos utilizados nas instalações.

Estudos e discussões sobre a utilização das UHEs reversíveis têm sido feitos no Brasil a algum tempo. Com des-taque para o ano de 2014, em que ocorreu um seminário brasileiro, com o tema “Usinas Hidrelétricas Reversíveis no Setor Elétrico Brasileiro”, realizado nos dias 11 e 12 de novembro de 2014 na sede da Eletrobrás Eletronorte em Brasília – DF. Entre os principais temas abordados no seminário e os trabalhos apresentados por profissionais, empresas e pesquisadores do setor elétrico nacional, podemos destacar:

1. A Influência das Usinas Reversíveis na Estabilização do Sistema Elétrico; 2. Aspectos Regulatórios e Comerciais; 3. Análise de Viabilidade e Balanço Energético; 4. Configurações de Usinas Reversíveis (layouts, arranjos, aspectos hidráulicos, reservatórios); 5. Estudos de Casos, Otimização e Operação Conjunta com outras Modalidade de Geração (eólicas, nucle-

ares, solares, térmicas); 6. Inserção de Usinas Reversíveis no Sistema Elétrico Brasileiro; 7. Potencial Disponível para a Implantação de Usinas Reversíveis.

Como resultado desse evento, foi criado o Grupo Brasileiro de Usinas Hidrelétricas Reversíveis. Esse grupo tem por finalidade principal a condução de estudos, fomento de estratégias legais, consultorias técnicas e normativas quanto à disseminação da oferta das usinas reversíveis na matriz nacional.

26. Fluxo dos reservatórios de uma usina reversível.Fonte: Tolmasquim apud IEA (2012).

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http://www.cbdb.org.br/

Comitê Brasileiro de Barragens (CBDB)

Conheça o trabalho e atuação do CBDB. Acesse o link abaixo e saiba mais sobre segurança de barragens e operação das UHEs reversíveis em todo o planeta.

MÍDIAS INTEGRADAS

Quanto à classificação das Usinas Reversíveis, são distribuídas em três tipos de acordo com sua ligação com o rio ou qualquer outro leito hídrico: ciclo aberto, ciclo semiaberto e ciclo fechado. O quadro abaixo resume essa classificação e suas principais características.

Classificação das Usinas Hidrelétricas Reversíveis

Tipo Características

Ciclo aberto

Possui reservatório inferior e superior ao longo do curso do rio. Semelhante a uma usina convencional, por meio do retrofit das instalações, as usinas convencionais podem se tornar de ciclo aberto.

Ciclo semiaberto

Um reservatório isolado e o outro fazendo parte do fluxo do rio. Pode utilizar o oceano como reservatório inferior. É um arranjo bem desafiador quanto aos impactos na vida marinha.

Ciclo fechadoPossui dois reservatórios isolados do fluxo de água. Seu enchimento é feito, inicialmente, por sua própria zona de captação ou desvio de algum corpo d’água.

Inicialmente, as UHEs reversíveis foram criadas com o propósito básico de auxiliar no suprimento da demanda nos períodos de pico de consumo do sistema elétrico. Entretanto, no decorrer dos anos alguns países cujo nível de tecnologia era significativamente avançada e o sistema elétrico bem estruturado, as reversíveis passaram a exercer algumas funções adicionais, tais como: auxílio na regulação da tensão nas redes de transmissão, moni-toramento de anomalias elétricas na rede, controle pontual da frequência nominal da rede. Como componente básico de uma usina reversível até meados dos anos 90, o motogerador síncrona garantia a velocidade constante em sua operação.

Após a década de 90, as plantas reversíveis passaram a receber a tecnologia dos motogeradores assíncronos, de modo que essa nova configuração permitia que a rotação e velocidade angular tanto da turbina quanto da bomba fossem ajustadas periodicamente. Os custos envolvidos nessa nova tecnologia eram maiores, todavia, o emprego dos motores assíncronos nas plantas reversíveis trouxe a possibilidade de ampliação dos regimes de operação (trabalho em carga leve e mais acentuada), além de proporcionar uma maior flexibilidade e eficiência quando comparada à uma usina hidrelétrica convencional.

Geradores Síncronos e AssíncronosEntenda melhor sobre a definição de cada gerador e as principais diferenças, além da sua importância na geração de energia elétrica. Sugerimos o link abaixo:

PESQUISE

https://gruger.com.br/blog/qual-e-diferenca-entre-gerador-sincrono-e-assincrono/

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ATIVIDADE DE APRENDIZAGEM1- Fale sobre a utilização da hidroeletricidade no Brasil.

2- O que são Pequenas Centrais Hidrelétricas e como podem ser classificadas?

3- Como a energia hidráulica é utilizada para geração de energia elétrica? Explique o passo a passo do processo.

4- O que é uma turbina? Como ela é aplicada em uma usina hidrelétrica?

5- O que são Usinas Hidrelétricas Reversíveis?

6- De acordo com a definição acima, diferencie as Usinas Hidrelétricas Reversíveis.

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Energia solar

UNIDADE VI

6. História e definições

A relação das civilizações mais antigas com o sol sempre foi de muita aproximação, e em alguns casos, o “astro rei” recebia até mesmo status de uma divindade pela imponência dos seus raios. Na mitologia egípcia, por exem-plo, Rá, que era considerado a principal divindade da mitologia egípcia, era chamado de Deus Sol. Os gregos se interessaram pelos enigmas científicos do sol, de modo que alguns filósofos diziam que o sol era apenas uma bola de gás incandescente e que estava bastante distante do nosso planeta.

De acordo com a União Astronômica Internacional – IAU (2009), no período medieval os povos árabes con-seguiram um grande feito para a época, calcular a distância entre o sol e a terra, a circunferência do sol, além de provarem que o luar representava a luz do sol sendo refletida. O modelo heliocêntrico, cujo Planeta Terra gira em torno do sol, começou a ser esboçado e pensado por astrônomos das civilizações grega, babilônica e indiana, até ser definitivamente consolidado no século XVI pelo astrônomo polonês Nicolau Copérnico (1473 – 1543). Isso representou um grande impacto no pensamento vigente até então, pois havia uma grande crença no Modelo Geocêntrico (o sol girando em torno da Terra) que era o modelo defendido pela igreja.

Fonte natural de luz e calor, essencial para a vida em nosso planeta, o sol traz consigo uma série de possibi-lidades desde a conversão dos raios solares em energia elétrica, conhecido como Efeito Fotovoltaico, passando pelos processos mais modernos de dessalinização e aquecimento de água para aproveitamento nos processos industriais mais modernos. Todos esses processos e aplicações modernas da energia solar, só foram possíveis graças a uma descoberta que mudou de vez a nossa interação com o sol. Foi no século XIX que um novo disposi-tivo capaz de converter os raios solares em eletricidade, revolucionou nossa compreensão sobre a aplicação dos potenciais da energia solar.

No ano de 1883, um inventor norte-americano chamado Charles Fritts (1850 – 1903) conseguiu um feito inédito, utilizando camadas do material selênio, ele produziu a primeira célula fotovoltaica. Mesmo que ainda bastante primitiva e de baixa eficiência, o trabalho de Fritts abriu portas para o desenvolvimento e aplicações diversas para a energia solar. Muitos atribuem ao inventor o mérito por ter inventado a célula solar. O trabalho de Fritts foi impulsionado por uma série de trabalhos e descobertas anteriores de cientistas e estudiosos da relação entre sol e eletricidade. Cronologicamente, temos no quadro abaixo os seguintes eventos que aconteceram no século XIX envolvendo eletricidade e energia solar:

27. Energia solar.Fonte: https://www.oseudinheirovalemais.com.br/verao-e-epoca-de-aproveitar-a-energia-solar/

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Resumo Cronológico dos eventos relacionados à Energia Solar no século XIX e XX

Ano Evento

1839O cientista francês Alexandre Edmond Becquerel (1820 - 1891) observa, pela primeira vez, o Efeito Fotovoltaico.

1873O engenheiro eletricista inglês Willoughby Smith (1828 - 1891) descobriu a propriedade de fotocondutividade para o selênio.

1887O Efeito Fotoelétrico é descoberto pelo físico alemão Heinrich Rudolf Hertz (1857 - 1894).

1888Pela primeira vez é criado um dispositivo baseado no Efeito Fotoelétrico, nesse caso, uma célula solar pelo físico russo Aleksandr Stoletov (1839 - 1896).

1905O célebre físico alemão Albert Einstein (1879 - 1955) explicou, de modo satisfatório, o Efeito Fotoelétrico. Por esse feito, ele recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921.

1916

A primeira demonstração prática do Efeito Fotoelétrico é realizada por meio de experimentos em laboratório pelo físico norte-americano Roberto Millikan (1868 - 1953).

1950 - 1954Os Laboratórios Bell conseguem produzir algumas células solares para utilização em atividades de exploração espacial, além de construírem a primeira célula solar do material silício.

Quadro 3. Cronologia do desenvolvimento da energia solar. Fonte: Empresa de Pesquisa Energética (2016).

Ao longo de nossos estudos, perceberemos que as aplicações da energia solar ainda têm um grande campo para ser explorado, fato esse intensificado pela adoção de novas tecnologias. As duas formas principais de gera-ção de energia por via solar, fotovoltaica e heliotérmica, que nada mais são que o aquecimento de um determi-nado fluido por meio dos raios solares, tendo como objetivo central a produção de vapor, que serão estudadas em maiores detalhes.

Apesar dos avanços e iniciativas desenvolvidas nos últimos anos, tanto pela gestão pública, sociedade civil e setor empresarial; a parcela de representação da energia solar na matriz elétrica global ainda é pequena, embora esteja anualmente alcançando níveis cada vez mais expressivos. Com dados obtidos do ano de 2016, pela Agência Internacional de Energia (IEA), temos o gráfico a seguir das principais fontes de energia responsáveis pela geração de energia elétrica em nosso planeta.

VAMOS REFLETIR Matriz Elétrica x Matriz Energética

É necessário que façamos uma distinção entre esses dois termos. Enquanto a Matriz Elétrica compreende todas as fontes de energia para finalidade exclusiva de gerar energia elétrica. A Matriz Energética representa todas as fontes de energia disponíveis para finalidades diversas, desde a geração de energia elétrica até a movimentação de veículos.

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28. Gráfico da Matriz Elétrica Internacional de 2016.Fonte: IEA (2018).

29. Gráfico da Matriz Elétrica Brasileira de 2017.Fonte: EPE apud BEM (2018).

Como podemos ver no gráfico acima, o conjunto das energias renováveis ainda representa pouco mais de 5% do total de fontes utilizadas no planeta. Para os próximos anos, a projeção é de aumento significativo para essas fontes, porém é necessário que haja uma conscientização por parte da sociedade e apoio, além de investimen-tos, tanto da esfera pública quanto da empresarial. Agora, vamos analisar a Matriz Elétrica Nacional com base no gráfico a seguir.

Comparada com a Matriz Elétrica Internacional, temos em nosso país uma utilização maior das fontes de energias renováveis, totalizando 6,9% do total em 2017, sendo que este total está distribuído entre eólica e solar. Nosso país é privilegiado quanto ao regime de ventos e incidência dos raios solares, portanto, temos um longo po-

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tencial a ser explorado nos próximos anos que certamente fará com que intensas mudanças na nossa matriz ocor-ram nos próximos anos. Ainda sobre a energia solar, nosso país conta com localização privilegiada, pois estamos em uma região com maior predominância vertical dos raios solares, esse fator favorece à incidência de índices altos de irradiação, além da proximidade de muitas regiões do nosso país à linha do equador, o que garante certa regularidade na incidência dos raios solares durante todo o ano. Esses fatores dão uma importância estratégica para o país na exploração do potencial desse tipo de energia.

6.1 Energia Solar Heliotérmica

A conversão da radiação solar em calor para aproveitamento nas residências e locais que necessitam de aque-cimento de água só é possível graças ao chamado Efeito Fototérmico. O princípio de funcionamento da grande maioria dos sistemas de aquecimento solar é que os coletores atuam como o principal elemento para a captação da energia oriunda dos raios solares. De acordo com Bluesol (2016), atualmente os sistemas de aquecimento so-lar estão difundidos no Brasil, devido a algumas vantagens, tais como a tecnologia mais simples e os preços atra-tivos. Tais fatores podem ser importantes complementos aos sistemas fotovoltaicos pelo fato de serem capazes de gerar energia de modo eficiente e relativamente barata, e que atende aos mais diversos usos: aquecimento de água para banho, piscinas, além da climatização de ambientes.

No processo de geração de energia elétrica por fonte heliotérmica, a energia solar inicialmente é convertida em energia térmica para posteriormente ser convertida em eletricidade. Esse fato, conversão da energia solar em térmica, de acordo com Tolmasquim (2016), só é possível graças à utilização de alguns espelhos visando à concentração da irradiação solar em um único ponto específico, ponto focal. De modo que neste espelho, haverá um receptor por onde circulará um tipo de fluido com grande capacidade de absorção, óleo sintético, por exem-plo. Na sequência do processo, esse fluido é aquecido e expandido por meio da turbina, ou podem aquecer um outro fluido que será expandido posteriormente. Em uma planta heliotérmica típica é necessário que seja feita a concentração dos raios solares. Essa concentração é feita, atualmente, por meio de alguns arranjos que são classificados em conformidade com o tipo de foco existente, sendo este linear ou pontual, ou ainda conforme o receptor, fixo ou móvel. A combinação desses arranjos acaba formando quatro diferentes configurações mais co-muns no que se refere à geração de energia elétrica nas plantas heliotérmicas, de modo que cada um apresenta suas particularidades, vantagens e desafios tanto na construção quanto na operação. Vejamos um resumo das configurações no quadro a seguir e logo após estudaremos de forma mais detalhada cada uma delas.

Configurações para concentração de raios solares em Sistemas Heliotérmicos

Tipo Foco Receptor

Espelhos curvos Linear Fixo

Torre solar Pontual Fixo

Cilindro parabólico Linear Móvel

Disco Stirling Pontual Móvel

Quadro 4. Configurações de raios solares.Fonte: Tolmasquim (2016).

6.1.1 Cilindro parabólico

Esse tipo de tecnologia é empregada nas plantas heliotérmicas de pequeno e grande porte. Consiste, basi-

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camente, na instalação de um grande cilindro de geometria parabólica, de modo que quando os raios solares incidem sobre ele são refletidos para alguns tubos que estão localizados no ponto focal dos espelhos. Um impor-tante fator de vantagem dessa tecnologia está na movimentação constante dos tubos e espelhos para garantir a melhor posição em que os raios solares estão incidindo no decorrer do dia. Trata-se de uma tecnologia bastante avançada até o presente momento, o domínio das técnicas de construção, operação e manutenção já estão pra-ticamente consolidadas.

6.1.2 Torre solar

O princípio de funcionamento da tecnologia da torre solar baseia-se na instalação de um grupo de espelhos dispostos de forma que promovam o direcionamento dos raios solares para um ponto da torre, na qual está loca-lizado o coletor. Essa tecnologia apresenta como grande vantagem a obtenção e altas temperaturas de trabalho, o que consequentemente impacta na eficiência do sistema como um todo, tanto no processo de armazenamento, necessidade de menor volume, quanto na conversão. Uma das pequenas desvantagens na utilização das torres solares são os custos financeiros, pois por trabalharem com temperaturas mais elevadas, há uma exigência de maior resistência por parte dos materiais utilizados na construção e operação, o que acaba fazendo com que estes materiais sejam mais caros.

6.1.3 Disco stirling

Com grande vantagem por permitir aplicações de pequena potência, na faixa de 10 até 25 kW, a tecnologia do disco stirling consiste na instalação de alguns espelhos do tipo côncavo, juntamente com um motor stirling no ponto focal. Embora permita a exploração de um grande potencial de eficiência, o uso dessa configuração requer a instalação de uma unidade de geração em cada espelho côncavo, o que onera bastante os custos envolvidos na instalação e manutenção, além do mais não há ainda opções para armazenamento nesse tipo de configuração atualmente.

Espelhos Côncavos e Convexos

O que são espelhos côncavos e convexos? Vamos mergulhar um pouco na Física e descobrir o que significa esse instrumento óptico.

PESQUISE

https://www.stoodi.com.br/blog/2018/06/21/espelhos-concavos-e-convexos/

6.1.4 Refletor Fresnel

Por fim, temos a tecnologia do refletor linear Fresnel. Sua configuração básica consiste na construção e ins-talação de um conjunto de espelhos planos ou com uma ligeira inclinação que possibilitem a concentração dos raios solares em um tubo fixo localizado na horizontal do sistema. Como essa configuração tem relativa facilidade de construção e desenho operacional simples, temperatura de trabalho menor, seus custos são menores compa-radas as outras tecnologias. Mas todo esse arranjo simples e barato, também implica baixa eficiência do sistema na conversão e absorção da energia térmica em eletricidade.

Na Figura 29 podemos observar as características e configurações dos sistemas heliotérmicos estudados até

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então. Mas não restrinja seus estudos apenas ao que foi discutido aqui. Procure por maiores informações em sites, revistas, e associações do setor. Seja curioso e se torne um entusiasta em sua área profissional.

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Legenda das tecnologias mostradas na Figura 29:1 – Refletor Linear Fresnel.2 – Torre Solar.3 – Cilindro Parabólico.4 – Disco Stirling.

Quanto ao futuro das plantas heliotérmicas, uma série de estudos focados em inovações e melhorias dos pro-cessos e tecnologias têm sido conduzidos por todo o planeta. Alguns desses estudos e pesquisas têm se destaca-do pela tentativa de desenvolver materiais mais resistentes e com novas propriedades, como maior refletividade e capacidade de absorção do calor por exemplo, além de conseguirem trabalhar no regime de altas temperaturas. Essas novas tendências certamente influenciarão de modo positivo a eficiência dos sistemas como um todo. Ou-tras inovações merecem destaque, tais como:

- desenvolvimento e adaptação de novos ciclos de potência mais eficientes, como o Ciclo Brayton, por exemplo;- utilização das plantas de foco pontual;- criação e desenvolvimento de um tanque unitário para armazenamento de fluidos frios e quentes;- sistemas termoquímicos de armazenamento;- tecnologias para diminuição dos impactos ambientais.

30. Tecnologias aplicadas em plantas heliotérmicas.Fonte: Tomalsquim (2017) com adaptações.

SAIBA MAIS Potencial de geração de energia heliotérmica

No Brasil, as regiões com maior potencial de geração de energia heliotérmica são: oeste da Bahia, nordeste de Minas Gerais, Ceará, Rio Grande do Norte e Paraíba.

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6.2 Energia Solar Fotovoltaica

Conforme estudamos no início dessa unidade, o Efeito Fotovoltaico foi observado pela primeira vez pelo cien-tista francês Becquerel, no ano de 1839. Esse evento é um marco na história da energia solar, pois a partir dele uma série de novas possibilidades surgiram e iriam surgir no transcorrer dos anos. Resumidamente falando, o Efeito Fotovoltaico nada mais é do que o surgimento de uma diferença de potencial (ddp) entre dois materiais classificados como semicondutores, no instante em que esses mesmos materiais conseguem absorver a luz visí-vel oriunda do sol. As principais vantagens na utilização desse tipo de energia solar são:

- fonte contínua (sol) para conversão de energia;- considerada energia limpa, pois praticamente não agride o meio ambiente em suas operações;- potencial de instalação e operação em grande parte dos países do planeta, desde que tenham um regime

regular de raios solares;- emissão de ruídos e poluição praticamente inexistentes;- facilidade na instalação de todos os componentes, sobretudo pelo fato de haver muitas empresas e profis-

sionais com alto grau de qualificação no mercado;- longa vida útil do sistema;- baixa necessidade de manutenção ao longo da sua operação;- tecnicamente acessível em locais de difícil acesso, pois demandam um aparato estrutural e de investimentos

menor que uma instalação de uma usina hidrelétrica, por exemplo.As vantagens competitivas da instalação e operação dos sistemas de energia solar fotovoltaica são reais, toda-

via, também temos que destacar algumas desvantagens existentes nesse tipo de instalação:- intermitência na conversão de energia, pois requer, obviamente, a incidência dos raios solares para geração

de energia elétrica. Portanto, no período noturno não há geração de energia elétrica;- capital inicial exigido para instalações ainda é alto;- alterações na estética e no visual do imóvel ou prédio no qual será instalado;- eficiência baixa das formas de armazenamento da energia solar quando são comparadas com as fontes

oriundas de combustíveis fósseis e as hidrelétricas;- rendimento limitado dos painéis solares, que chegam no máximo a 25%.

6.3 Atlas Solarimétrico do Brasil

O aproveitamento da energia solar está condicionado à incidência e intensidade dos raios solares na região na qual será feita a instalação do sistema. Para que o investimento feito seja justificado da melhor maneira possível, é necessário que alguns recursos sejam utilizados como forma de prever o regime solar e o potencial do local. Um desses recursos que temos à disposição, em âmbito nacional, é o chamado “Atlas Solarimétrico do Brasil”, impor-tante documento que traz uma série de informações e dados preciosos que certamente ajudaram e ajudarão na tomada de decisões por parte de investidores e instaladores em todo o país.

A história desse projeto tem início no ano de 1993, quando foi criado um Grupo de Trabalho em Energia Solar Fotovoltaica (GTEF), sob a coordenação do Centro de Pesquisas de Eletricidade da Eletrobrás. Esse grupo era bas-tante plural, com representantes de diversos segmentos do setor elétrico (empresas, universidades, associações e sindicatos). Ainda no ano 1993 foi criado um segundo grupo de trabalho denominado grupo de Trabalho em So-larimetria sob a coordenação da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) entre outras instituições de notável prestígio e credibilidade nacional. Da criação e trabalho efetivo desses grupos, resultou a redação do primeiro Atlas Solarimétrico do Brasil, divulgado no ano 2000. Divido em seis capítulos abrangendo temáticas importantes para o setor de energia solar nacional, sendo os capítulos:

l Capítulo 1 – Introdução.

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l Capítulo 2 – Instrumentos de Medidas Solarimétricas. l Capítulo 3 – Mapas de Isolinhas de Radiação Solar. l Capítulo 4 – Mapas de Isolinhas de Insolação. l Capítulo 5 – Tabelas de Dados Solarimétricos e de Localidades. l Capítulo 6 – Resumo das Publicações.

Atlas Solarimétrico do Brasil

No link abaixo você poderá acessar o texto integral do atlas, com destaque ao capítulo 5 que aborda as tabelas de dados solarimétricos por localidade. Entretanto, fique atento pois se trata de um documento redigido em 2000 e há necessidade de atualização de muitos dados.

Fonte: http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Atlas_Solarimetrico_do_Brasil_2000.pdf

MÍDIAS INTEGRADAS

6.4 Sistemas Fotovoltaicos

Podemos definir um Sistema Fotovoltaico como um conjunto de componentes individuais que quando fun-cionando de forma integrada, constituem uma fonte de potência elétrica. Essa fonte realiza, por meio de um componente chamado célula fotovoltaica, a conversão da radiação solar em energia elétrica para abasteci-mento de residências, indústrias e comércios. Sua relativa facilidade para ser instalado nas mais variadas lo-calidades confere a esse tipo de sistema uma vantagem substancial. Os sistemas fotovoltaicos não necessitam de combustíveis para sua operação, além de seus componentes não serem móveis, o que garante boa esta-bilidade. Sua operação é praticamente silenciosa, pois produz um nível de ruído quase desprezível, além da importante característica de não produzirem poluição que impacte negativamente no meio ambiente.

VAMOS REFLETIR Energia Solar Fotovoltaica e os impactos ambientais

Quando nos referimos no texto que a operação dos Sistemas Fotovoltaicos não produz impactos negativos ao meio ambiente, estamos levando em conta apenas o momento do efetivo funcionamento do sistema. Obviamente, no processo de fabricação de alguns componentes, alguns impactos podem ser gerados e gases poluentes emitidos.

6.4.1 Classificação

O método de classificação dos sistemas fotovoltaicos é conforme o modo como acontece a geração e pos-terior distribuição da energia elétrica. Partindo desse princípio, temos duas classificações principais:

1. Sistemas Isolados. 2. Sistemas conectados à rede elétrica convencional.

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SAIBA MAIS On-grid e off-grid

Os sistemas fotovoltaicos também podem ser conhecidos no mercado por nomenclaturas de Língua Inglesa: Sistemas on-grid (conectados à rede) e off-grid (não conectados à rede).

Os sistemas isolados, conforme o próprio nome nos dá uma ideia, são aqueles cujo funcionamento e ope-ração estão desvinculadas da rede elétrica das concessionárias. Esse tipo de sistema ainda pode receber duas outras classificações: híbridos (aquele que trabalha juntamente com outro tipo de sistema de geração de ener-gia elétrica), ou autônomo (um tipo de sistema possui apenas a geração de energia fotovoltaica como forma de trabalho, não interagindo com qualquer outro tipo de sistema). Ambos os sistemas podem ou não serem dotados de mecanismos de armazenamento de energia elétrica, chamados de acumuladores. A grande dife-rença está quanto à capacidade dos dois sistemas. Enquanto os sistemas híbridos têm baixa autonomia para acumulação de energia, nos sistemas autônomos esses dispositivos são dimensionados conforme a necessida-de, garantindo uma ampla autonomia funcional ao sistema.

6.5 Componentes de um sistema fotovoltaico

Nos sistemas autônomos temos:- Painel fotovoltaico;- Controlador de Carga;- Banco de baterias;- Inversor autônomo, para sistemas que funcionam em Corrente Alternada (CA);- Cargas em Corrente Contínua (CC) ou em Corrente Alternada (CA).

Já nos sistemas conectados à rede, por sua vez, temos: - Painel fotovoltaico;- Caixa de junção do painel fotovoltaico;- Cabeamento; - Inversor de frequência; - Medidor de energia.

ATIVIDADE DE APRENDIZAGEM1 – Quais são as duas formas de aproveitamento solar para conversão e geração de

energia? Fale sobre cada uma delas em maiores detalhes.2 - O que é Efeito Fotovoltaico?3 – Qual é a diferença entre Matriz Elétrica e Matriz Energética?

4 – O que é Energia Heliotérmica?5 – O que é o Atlas Solarimétrico e qual é sua importância para a viabilidade dos Sistemas

Fotovoltaicos?6 - O que é um Sistema Fotovoltaico on-grid e um off-grid? Qual é a principal diferença entre eles?7 – Pesquise sobre os principais componentes de um sistema fotovoltaico on-grid.

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AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Resolução Normativa n° 425 de 1° de fevereiro de 2011. Disponível em: <http://www2.aneel.gov.br/cedoc/ren2011425.pdf>. Acesso em: 08 nov. 2019.

ALVES, Luiz Batista. Energias Renováveis: análise da geração fotovoltaica no Brasil e Goiás. Goiânia: Instituto Mauro Borges, 2018.

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