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quinta-feira, 19 de agosto de 2010

Energia Solar

A Terra recebe energia radiante do Sol, emitindo uma
quantidade idêntica. A emissão depende da temperatura da Terra, ou
seja, a temperatura do planeta Terra é a temperatura de equilíbrio na
qual a absorção é igual à emissão de radiação. Assim, se a absorção
mudar, a temperatura de equilíbrio também se modificará.

A energia radiante recebida pela Terra (173 x 1015W
=173.000.000.000.000.000 Watts)(*) 30% é reflectida (albedo),
19% absorvida pela atmosfera e radiada posteriormente, 19% é absorvida.
Os 19% de energia absorvida penetrante servem de força motriz para as
correntes marítimas, ondas, força motriz dos ventos. Os restantes 51%
são absorvidos pela superfície.

(*) Constante solar = 1395 W/m 2

Área da Terra - (6,3x106)2x 3,14m2

Energia recebida - 124x1012x 1395 = 173x1015

energia solar

Apenas uma pequena percentagem penetra nos sistemas
biológicos, por fotossíntese, nas plantas e noutros organismos, 0,02%
do total

Radiação solar extra terrestre

A radiação solar extra terrestre é a radiação medida acima da
atmosfera terrestre, esta radiação não é influenciada pelas nuvens
existentes na atmosfera pelo que facilmente se pode calcular a radiação
extra terrestre ao longo do ano. A órbita da Terra à volta do sol não
é uma circunferência mas sim uma elipse. Isto faz com que a radiação
solar não seja constante ao longo do ano, variando com as estações do
ano. A terra está mais perto do sol em Dezembro (Inverno, hemisfério
norte) e mais afastada em Junho (Verão, hemisfério norte).

rotação terra/ radiação solar

A quantidade de radiação solar é inversamente proporcional ao
quadrado da distância. A unidade que mede a distância da Terra ao sol
é a unidade astronómica (AU).
A distância média corresponde a 1 AU
que em km é igual a 1,498 * 108, verifica-se no equinócio
da Primavera e do Outono, altura em que o dia é igual à noite.

Para determinar a energia solar extra terrestre, é necessário saber
a distância actual. Este factor é calculado através de dia do ano,
dia esse expresso em dia juliano. O dia juliano é feito em função do
dia do ano, tem o valor de 1 para o dia 1 de Janeiro e de 365 para 31 de
Dezembro. A expressão utilizada foi formulada por Duffie e Beckman em
1980.

formula distância entre o sol e a terra, duffie e beckman

A radiação solar extra terrestre pode ser calculada pela seguinte
expressão.

formula da radiação solar em determinado dia, duffie e beckman

onde:

Isc = 1367 Wm-2é a constante solar

Θ é o ângulo solar cenital



Por exemplo no dia 1 de Janeiro teremos:

energia solar recebida em 1 de janeiro

Existem três formas de captação de energia solar:

  • Química
  • Térmica
  • Eléctrica







Energia Química

Os organismos biológicos absorvem energia solar
sintetizando carbohidratos a partir de água e dióxido de carbono, esta
energia é dissipada através da cadeia alimentar e em última instância
re-irradiada para o espaço.

Energia Térmica

A energia produz calor ao incidir sobre um conjunto
de moléculas. As moléculas na superfície dos materiais excitam-se ao
receber energia radiante produzindo calor através de processos de absorção
de fotões, aceleração de electrões e difusão. A conversão térmica
da energia solar fundamenta-se na absorção da energia radiante por uma
superfície negra. Este processo varia com o tipo de material
absorvente. Envolve difusão, absorção de fotões, aceleração de
electrões, múltiplas colisões, mas o efeito final é o aquecimento,
ou seja, a energia radiante de todas os comprimentos e amplitudes de
onda transforma-se em calor. As moléculas das superfícies excitam-se,
ocorrendo um incremento de temperatura. O coeficiente de absorção de vários
tipos de absorventes negros varia entre 0,8 e 0,98, a energia restante
é reflectida .

Energia Eléctrica

A transformação de energia solar em energia eléctrica
pode ocorrer através de dois processos: Conversão Termoeléctrica,
Conversão Fotoeléctrica

Conversão termoeléctrica

Quando se aquece um eléctrodo, alguns dos electrões
adquirem energia para escapar. Converte-se em um emissor de electrões,
um cátodo. Outro eléctrodo colocado próximo a este cátodo, se está
suficientemente frio, receberá os electrões emitidos, convertendo-se
num ânodo. Se entre o ânodo e o cátodo existe uma carga, circulará
uma corrente. Uma corrente eléctrica significativa, no entanto, só se
pode produzir a temperaturas muito altas.

Em circuitos que consistam de dois condutores diferentes, se as duas uniões
se mantém a temperaturas diferentes, também será gerada uma corrente
eléctrica, ou uma diferença de potencial, quando uma das uniões
permanece aberta. Estes "Termopares" podem igualmente ser
utilizados para produzir corrente. Quando vários deles são ligados em
série, forma-se a chamada pilha termoeléctrica. A união quente pode
ser aquecida através de um colector solar de placa plana.

Conversão Fotoeléctrica

O Sol é uma fonte inesgotável de energia, a utilização
de energia eléctrica fotovoltaica possibilita uma redução
significativa dos custos energéticos, os sistemas podem ser
complementados por outros circuitos, energia eólica por exemplo. O efeito
fotovoltaico
foi descoberto em 1839 pelo físico A.
Becquerel
.

Este fenómeno engloba 3 fenómenos físicos
intimamente ligados e simultâneos:

  • A absorção da luz pelo material
  • A transferência de energia dos fotões para as cargas eléctricas
  • A criação de corrente eléctrica. 







Energia Solar

 

Bateria   Módulo
Solar
Regulador
Solar Controlador de Carga
  Aerogerador
Regulador
para Aerogerador
  Inversor

O processo de obtenção de energia eléctrica fotovoltaica

O sol que chega aos módulos solares produz a
electricidade em Corrente Contínua, ou a C.C. A tensão
dos painéis solares são maioritariamente de 12 volts CC, o padrão
usado nos carros. Os sistemas maiores podem ser projectados para 24V
C.C., ou uma C.C. de 48 volts. Isto significa que os módulos são
combinados em pares para 24 volts, ou grupos de quatro para 48 volts.

Esta alimentação de DC é armazenada nas BATERIAS,
que vão acumulando energia quando não existe consumo energético.

O INVERSOR é um componente principal
que converte a corrente contínua de 12, 24, ou 48 volts da bateria numa
corrente de uma C.A. de 220 volts, a mesma que rede pública fornece
para luzes, tomadas e dispositivos. A maioria dos circuitos domésticos
solares usam uma C.A. de 220 volts produzida pelo inversor. Alguns
circuitos da C.C. são adicionados geralmente onde usando dispositivos
de CC podem ser directamente utilizados, regas automáticas, bombas de
água, sistemas de iluminação.

Quando aparece uma fase de um número de dias consecutivos sem luz do
sol, o proprietário, deve verificar as suas baterias. Se o nível da
carga for baixo, um motor - ou gerador dirigido deve recarregar as
baterias a fim manter o funcionamento óptimo do sistema. Verifique os erros
comuns na instalação de sistemas de energia alternativos


Módulos Solares (PV) são instalados em
grupos de 1 a 12 módulos numa montagem solar, por sua vez a um edifício,
ao telhado de um edifício, ou sobre um suporte (pé) metálico. Os custos
do sistema
e o cálculo
das células
são fundamentais para que a eficiência do sistema
seja elevada.

Controlador de Carga ou regulador da carga,
tem como finalidade controlar a carga das baterias, evitando que
sobrecarreguem, o controle da carga corta automaticamente a carga quando
as baterias ficam com carga completa. Um controle da carga pode ter
interruptores de controle manual e pode ter medidores ou luzes para
mostrar o estado das baterias no processo carga. Esquema
electrónico de um controlador de carga

As Baterias recebem e armazenam a energia eléctrica
da C.C., e podem imediatamente fornecer electricidade armazenada segundo
as necessidades

O Inversor é o
componente electrónico principal de um sistema de potência. Converte a
alimentação de DC Armazenada nas baterias para C.A. de 220 volts. Os
cabos curtos, pesados com um fusível de potência ou um disjuntor de
circuito leva a energia das bateria para inversor. Depois da conversão
para C.A., o inversor ligado ao disjuntor coloca energia da instalação
solar directamente no circuito eléctrico em vez das linhas de serviço
público. Os inversores para o a versão doméstica vêm com potências
na ordem dos 50 a 5500 watts.

Um Inversor/Carregador é um inversor que tem
também um carregador de bateria e um relé de transferência interno.
Quando os terminais da entrada de um inversor/carregador recebem energia
de uma fonte exterior de C.A. Verificam se existe carga disponível nas
baterias, se não existir carga suficiente passam directamente a energia
da rede publica carregando simultaneamente as baterias. Esquema
de Inversor 12V CC -220V AC
 


Tecnologia Solar Fotovoltaica.

Vantagens:

  • Alta fiabilidade – não tem peças móveis, o que é muito útil
    em aplicações em locais isolados.
  • A fácil portabilidade e adaptabilidade dos módulos - permite
    montagens simples e adaptáveis a várias necessidades energéticas.
    Os sistemas podem ser dimensionados para aplicações de alguns
    miliwatts a vários kilowatts.
  • O custo de operação é reduzido - a manutenção reduzida: não
    necessita de combustível, transporte ou manutenção altamente
    qualificada.
  • A tecnologia fotovoltaica apresenta qualidades ecológicas, énão
    poluente, silencioso e não perturba o ambiente.










Desvantagens:

  • O fabrico dos módulos
    fotovoltaicos 
    tem custos de produção elevados o que
    torna o preço elevado.
  • O rendimento real de conversão dum modulo é reduzido (o limite
    teórico máximo numa célula de silício cristalino é de 28%), em
    função do custo do investimento.
  • Os geradores fotovoltaicos raramente são competitivos do ponto de
    vista económico, face a outros tipos de geradores (e.g. geradores a
    gasóleo, geradores éolicos). A excepção restringe-se a casos
    onde existam reduzidas necessidades de energia em locais isolados
    e/ou em situações de grande preocupação ambiental.
  • Quando é necessário proceder ao armazenamento de energia sob a
    forma química (baterias), o custo do sistema fotovoltaico torna-se
    ainda mais elevado.











Ângulo de Incidência

angulo de incidencia solar plano



A radiação directa que incide num colector solar em função da
orientação do colector  e da posição
do Sol
no hemisfério, que se pode traduzir no ângulo formado pelo
plano normal do colector com a direcção dos raios solares θ, 
ou também designado θcol  por . O co-seno de
θ para colectores plano estacionário é:

cos θ= s1cos δ cosω s2 cos δ sinω s3sin δ

onde s1, s2 e s3

cos θ= s1cos δ cosω s2 cos δ sinω

s1=cos β cos φ sin φsin β cos γ

s2=sin γ sin β

s3=sin φcos β cos φsin β cos γ



onde:    

  • φ- Latitude do local
  • β- Inclinação do colector
  • γ- Azimute do colector
  • δ- Declinação solar
  • ω- Ângulo horário













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