Energia Solar

O planeta recebe energia do sol refletindo e absorvendo a energia recebida. Parte da energia que chega à Terra é refletida de volta ao espaço no mesmo comprimento de onda. A percentagem de energia refletida para o espaço varia em função do local e denomina-se Albedo. Globalmente a percentagem refletida é de aproximadamente 30% sendo maior nas superfícies geladas e desertos e menor nos oceanos e florestas tropicais.

A energia radiante recebida pela Terra (173 x 1015W =173.000.000.000.000.000 Watts)(*) 30% é refletida (albedo), 19% absorvida pela atmosfera e radiada posteriormente. 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.

energia solar
Energia solar, pode variar em função da localização

Constante solar = 1395 W/m 2
Área da Terra - (6,3x106)2x 3,14m2
Energia recebida - 124x1012x 1395 = 173x1015

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 ao sol. Este fator 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:

Tipos de Energia Solar

  • Química
  • Térmica
  • Elétrica

Energia Solar 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 Solar 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 eletrões 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 eletrões, 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 refletida .

Energia Solar Elétrica

A transformação de energia solar em energia elétrica pode ocorrer através de dois processos: Conversão Termoelétrica, Conversão Fotoelétrica

Conversão termoelétrica

Quando se aquece um elétrodo, alguns dos eletrões adquirem energia para escapar. Converte-se em um emissor de eletrões, um cátodo. Outro elétrodo colocado próximo a este cátodo, se está suficientemente frio, receberá os eletrões emitidos, convertendo-se num ânodo. Se entre o ânodo e o cátodo existe uma carga, circulará uma corrente. Uma corrente elétrica 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 elétrica, 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 termoelétrica. A união quente pode ser aquecida através de um coletor solar de placa plana.

Conversão Fotoelétrica

O Sol é uma fonte inesgotável de energia, a utilização de energia elétrica 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 elétricas
  • A criação de corrente elétrica. 

 

Energia Solar
  1. Baterias
  2. Módulo Solar
  3. Regulador Solar Controlador de Carga
  4. Aerogerador
  5. Regulador para Aerogerador
  6. Inversor

Energia Solar Fotovoltaica

O sol que chega aos módulos solares produz a eletricidade 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 projetados 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 diretamente 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 eletrónico de um controlador de carga

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

O Inversor é o componente eletrónico 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 diretamente no circuito elétrico 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 diretamente 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.

Tipos de Painéis Solares

Monocristalino Policristalino Amorfo
Durabilidade
esperada
20 Anos 20 Anos 5 Anos
Preço Mais Elevado Um pouco mais barato do que Mono Mais barato que os mono e poli
Eficiência 15-18% 12-14% 5-8%
Material Grandes cristais
cuidadosamente cultivados
Pequenos cristais Sem estrutura cristalina.
Vantagens Melhor eficiência Eficiência aceitável para um preço mais reduzido. Mais baratos
Podem ser feito com formas flexíveis
As altas temperaturas não os afetam
Melhor manipulação sombras parciais
Desvantagens Caro Múltiplos pequenos cristais Baixa eficiência.

Ângulo de Incidência

angulo de incidencia solar plano

A radiação direta que incide no coletor solar em função da orientação do coletor  e da posição do Sol no hemisfério, que se pode traduzir no ângulo formado pelo plano normal do coletor com a direcção dos raios solares θ,  ou também designado θcol  por . O co-seno de θ para coletores plano estacionário é:
cos θ= s1cos δ cosϑ s2 cos δ sinϑ s3sin δ
onde s1, s2 e s3
cos θ= s1cos δ cosϑ s2 cos δ sinϑ
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 coletor
  • γ- Azimute do coletor
  • δ- Declinação solar
  • ϑ- Ângulo horário


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