Energia Solar

Painel Energia Solar

 

Energia Eólica como Funciona?

 

Energia Eólica

A energia eólica é a energia produzida pelo vento resultante das diferenças de pressão atmosférica causadas pelo aquecimento diferencial terrestre provocado pela radiação solar. A deslocação de massas de ar (vento) é influenciada pelas condições atmosféricas (intensidade e direção) por obstáculos e condições do solo. O aproveitamento da energia cinética do vento para produção de energia elétrica é efetuada através de turbinas eólicas acopladas a geradores. A este conjunto turbina-gerador é habitualmente chamado Aerogerador ou Turbina Eólica. Existem vários tipos de turbinas eólicas cujas as diferenças incidem essencialmente na direção do eixo de rotação (vertical e horizontal), forma e número de pás que constituem o rotor.

Quando exposto a vento suficiente, um aerogerador produz corrente alternada (CA) que, depois de retificada, é transformada em contínua(CC). A corrente é usada para carregar de baterias e posteriormente convertida em corrente alternada utilizável(alimentação direta de dispositivos ou para injetar na rede elétrica). Todos os aerogeradores vêm com o seu próprio sistema de controle de carga (A, B).

Tal como a energia solar a energia eólica é uma energia limpa, a sua inclusão em áreas ventosas em ambientes domésticos pode rapidamente trazer o retorno do investimento efetuado. Pode funcionar em simultâneo com módulos energéticos solares. O seu funcionamento não difere substancialmente, a energia captada por um aerogerador carrega um conjunto de baterias ou é injetada diretamente na rede pública.

Produção de energia

A produção de energia elétrica a partir do vento tem vantagens e desvantagens que devem ser ponderadas

Vantagens:

• Não gera resíduos e não emite gases poluentes;
• É uma fonte de energia inesgotável;
• Os parques eólicos podem ser usados para outros fins, agricultura, pastorícia ou criação de gado;
• É uma fonte barata de energia que pode competir com as fontes de energia tradicionais em termos de rentabilidade;
• Não requer uma manutenção frequente e tem uma manutenção reduzida.

Desvantagens da utilização da energia eólica:

• Não tem uma produção constante, fatores como a falta de vento podem, durante períodos, tornar nula a produção;
• Impacto visual e sonoro dos parques eólicos ou mesmo de um gerador caseiro;
• Em larga escala, pode afetar o comportamento migratório de algumas espécies de aves.

A energia cinética, resultante das deslocações de massas de ar, pode ser transformada em:

• energia mecânica através de aeromotores;
• energia elétrica através de turbinas eólicas ou aerogeradores.

Potencial Eólico

O potencial eólico exige um conhecimento detalhado do comportamento dos ventos. Os dados relativos a esse comportamento que auxiliam na determinação do potencial eólico de um local, são relativos à intensidade da velocidade e à direção do vento. Para obter esses dados, é necessário também analisar os fatores que influenciam o regime dos ventos no local da instalação. Entre eles pode-se citar o relevo, a rugosidade do solo e outros obstáculos (edifícios, por exemplo).
A potência mecânica disponível (P) numa turbina depende grandemente (fator cúbico) da velocidade do caudal de ar que passa através dela, o que faz com que o interesse e o aproveitamento deste recurso varie muito com a intensidade e a direção do vento.

A potência do vento que passa perpendicularmente através de uma área circular P = 1/2 (rv³ r²)

Onde:

P= potência média do vento em Watts [W]
r(rho) = densidade do ar seco = 1,225 kg/m3 (PTN)
v= velocidade média do vento [m/s]
(pi) =3.1415926535...
r = raio do rotor em m [metros]

Contudo, esta energia não pode ser inteiramente recuperada pelo aerogerador, pois há que evacuar o ar turbinado; introduz-se, de modo a tornar o calculo mais preciso, o coeficiente Cp no cálculo da potência:

P = 1/2 (rv³ pr²Cp)

O coeficiente de potência foi introduzido pela teoria de Betz. O coeficiente Cp caracteriza o nível de rendimento de uma turbina eólica; pode ser definido pela razão:

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Potência de um Aerogerador

Os aerogeradores são classificados de acordo com a sua potência; com 1 MW, pode alimentar 900 habitações de 3 pessoas, se excluirmos o aquecimento eléctrico.

Diâmetro

Potência

Pequena potência

< 12m

< 40KW

Média potência

12 a 45 m

40KW a 1 MW

Grande potência

> 46m

> 1MW

Limite de Betz

O limite de Betz indica que, mesmo para os melhores aproveitamentos eólicos (turbinas de 2 ou 3 pás de eixo horizontal), recupera-se apenas um máximo de 59% da energia do vento, o que significa que Cp máximo (teórico) é 0,59. Para uma aplicação real, este coeficiente é da ordem de 0,3 a 0,4 no máximo. A teoria de Betz coloca em modelo a passagem do ar antes e após a turbina, por um tubo de corrente onde:

V1 é a velocidade do vento antes das pás da turbina
V é a velocidade do vento nas pás da turbina, na ordem de 10 m/s

V2 é a velocidade do vento após ter transferido energia às pás da turbina

Onde V1 > V > V2 , sendo estas velocidades paralelas ao eixo do rotor.

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Que potencia uma turbina pode produzir em função das dimensões?

Turbina eólica	Potência elétrica
Diâmetro do Rotor (m): Velocidade Média do Vento:

Eficiência Turbina - Coeficiente Cp: ^*
* Nota: Uma turbina de um aerogerador bem desenhado consegue ter 25% - 40% de eficiência.

Pot. Instantânea (kW): Pot. Mensal (kWh): Pot. Anual Produzida (kWh): Área (m2):

** Assume-se que a densidade do ar é 1.225kg/m³
*  Uma turbina de um aerogerador bem desenhado consegue ter 25% - 40% de eficiência.

Nota - Nos cálculos mensais e anuais, considera-se que o gerador tem um funcionamento permanente médio igual ao valor apresentado, como a produção não é linear, a paragem por falta de vento ou elevados níveis de produção podem tornar estes valores pouco precisos. Os valores apresentados mensalmente e anualmente devem ser considerados como estimativas prováveis e não valores exatos.

A eficiência do vento em relação à energia elétrica produzida pode ser calculada neste simples programa. Cálculo para geradores eólicos.

Aerogerador

Componentes Gerador

Como produzir energia eólica?

Para produzir energia elétrica é necessário um gerador eólico. A utilização pode variar, um gerador pode estar desligado da rede elétrica e ter um circuito independente suportado por baterias ou estar ligado diretamente à rede elétrica exterior injetando o sinal na rede. O primeiro caso, necessita de baterias que acumulem a carga, existe uma utilização autónoma. O segundo caso, necessita de um inversor aprovado pelo distribuidor e, nesse caso, o distribuidor pode até comprar essa energia.

Existe um outro tipo de utilização, um gerador autónomo que distribuí enquanto as baterias tiverem carga e, no caso de não existir carga suficiente, o sistema comuta automaticamente para a rede elétrica de distribuição.

Posso eu mesmo construir um gerador eólico caseiro?

Sim.

Para construir um gerador eólica existem algumas questões a que se deve ter atenção

O local onde vou instalar o aerogerador tem vento suficiente?

A maioria das pessoas têm a noção que vivem em locais ventosos, no entanto a maior parte das áreas residências não são adequadas para a produção de energia a partir do vento. As árvores e os edifícios diminuem a velocidade do vento, criam zonas de turbulência que podem ser destrutivas. É fundamental que a zona de incidência se encontre desobstruída. Verifique os mapas de velocidades do vento.

Os locais abertos ou zonas junto ao litoral podem ser apropriados para colocar as turbinas. Uma torre alta pode ser útil e aumentar a rentabilidade da instalação, não esquecer que a turbina pode ter alguns efeitos nas áreas circundantes, os seus vizinhos podem não partilhar o seu entusiasmo, mas pode partilhar com eles a energia produzida e o trabalho de colocação, certamente os resultados vão ser diferentes.

As zonas de turbulência devem ser evitadas para instalar qualquer tipo de turbina eólica.

Que tamanho de turbina necessito?

As turbinas eólicas funcionam com o ar fino, assim, necessitam de ter dimensões elevadas para produzir potências consideráveis. Um diâmetro de 2 metros (pá da turbina com 1 metro) pode produzir anualmente mais de 500 Kw/h.  Um valor considerável para uma habitação média. 

Que tipo de gerador devo usar?

A maioria dos aerogeradores pequenos são usados para carregar baterias que posteriormente vão colocar essa energia elétrica transformada no setor normal de 220V. A escolha obvia para um aerogerador caseiro será o alternador de um veículo automóvel. Mas a utilização de uma alternador tem alguns inconvenientes, o dispositivo funciona apenas com uma rotação elevada +/- 2000RPM a velocidade das pás raramente ultrapassa as 100RPM, existe assim a necessidade de multiplicar mecânicamente este diferencial. Neste processo existem perdas significativas. Em aerogeradores instalados a baixa altitude (em relação ao solo) existe um pequeno aproveitamento energético, existe a necessidade de ter um gerador com uma eficiência muito boa para ter aproveitamento.

Quase todas os aerogeradores pequenos de fabrico comercial usam geradores com ímans permanentes que não são fáceis de construir. O gerador é o componente fundamental para o êxito ou fracasso do projeto. Contenha o entusiasmo mas não desanime existem sempre soluções.

Brevemente vamos colocar aqui como aproveitar motores de CC em geradores

A altura da turbina é importante?

Quanto mais alto melhor, a potência do vento em função da altura varia nas seguintes proporções:

V₀-Velocidade em m/s à altura de referência h₀ do solo
α-Coeficiente característico do local; entre 0,1 e 0,4

Cada local pode ter um fator diferente, baseando-nos num fator de 0,1 podemos criar um gráfico aproximado.

Posso eu mesmo construir as pás das turbinas?

Sim, vamos colocar aqui alguns processos para construção das pás das turbinas, algumas mais sofisticadas em fibra outras utilizando materiais comuns usando simples tubos de polietileno.

Não esquecer que no caso de produção de energia em excesso a EDP é obrigada a comprar essa energia produzida, se tem vento e espaço pense nisso.

O primeiro circuito que vamos publicar é totalmente de concepção

O primeiro circuito que vamos publicar é totalmente de concepção caseira, destina-se apenas a testar todo o poder que o vento tem em gerar energia, se tem possibilidade tente fazer este pequeno aerogerador, os problemas que surgem são idênticos aos geradores de maior dimensão, até a lei de murphy nº13442331 se manifesta, diz que depois de terminado, o vento não vai soprar durante 5 dias, pode fazer o download clicando em turbina eólica e na mesma linha da turbina anterior aerogerador.

Para verificar a velocidade do vento um esquema simples de um anemómetro

Construir um pequeno aerogerador caseiro

Um circuito mais complexo mas com aproveitamento energético, vamos aproveitar um motor de video gravador.

Vamos aproveitar o circuito de três fases existente nos servo motores dos videos e fazer a sua ligação a díodos em ponte.

vamos então ligar os díodos ao motor

Cada enrolamento de cada fase tem a mesma resistência, aproximadamente 4 ohm, verifique com o multímetro se os enrolamentos têm todos o mesmo valor.

Agora vamos construir as pás da turbina. Vamos para isso utilizar réguas de madeira ou metálicas preferencialmente de aluminio.

Suporte as pás de modo a obter o máximo rendimento do vento fazendo o centro da turbina com esta forma.

Obtemos um conjunto que pode ser utilizado para produzir energia.

Nesta foto já com o motor incorporado

Depois de concluído podemos então ligar o sistema a um controlador de carga e carregar baterias ou pilhas.

Painel Solar Fotovoltaico

Como é fabricado e Composição

As células com efeito fotovoltaico são constituídas por material semicondutor (silício). O material mais importante para as células solares cristalinas é o silício. Não é um elemento químico puro, mas uma ligação química em forma de dióxido de silício. Para a obtenção do silício, em primeiro lugar é necessário separar o oxigênio não desejado do dióxido de silício. Para o conseguir, a areia de sílica é aquecida e fundida num cadinho, junto com pó de carvão. Durante este processo é criado o silício metalúrgico, com uma pureza de 98 %. No entanto, 2 % de impurezas no silício é demasiado para aplicações eletrônicas. É apenas admissível um bilionésimo por cento. Por este motivo, o silício em estado bruto é ainda purificado através de um processo químico. É cuidadosamente depositado num forno com ácido clorídrico. Como resultado são produzidos os químicos hidrogênio e triclorosilano, um líquido que ferve a 31 ºC. Este último é destilado em várias e sucessivas etapas, durante as quais é reduzida a percentagem de impurezas em cada estágio da destilação. Quando se consegue a percentagem de pureza necessária, o triclorosilano é reduzido a silício com a ajuda do hidrogênio a 1.000 ºC. Este silício de elevada qualidade pode agora ser processado de diferentes modos, como por exemplo para produzir células mono cristalinas ou células policristalinas. O cristal de silício puro não possui estrelões livres e portanto é um mau condutor elétrico, acrescentam-se então outros elementos de modo a tornar o silício material semicondutor de tipo P ou N. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com electrões livres ou material com portadores de carga negativa (semicondutor tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando boro em vez de fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, défice de electrões ou material com cargas positivas livres (semicondutor tipo P).

Efeito Fotovoltaico	Dopagem Semicondutores

O material semicondutor só por si não produz energia, cada célula solar é composta por uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P. Separadamente, ambas são electricamente neutras. Mas ao serem unidas, exactamente na união P-N e recebendo luz solar, gera-se um campo eléctrico devido aos electrões do silício tipo N que ocupam os vazios(lacunas) da estrutura do silício tipo P.

Conceitos de novas células solares

Célula de Grätzel

Células nanocristalinas sensibilizadas com corantes

Célula Gratzel

Um novo tipo de células solares foi introduzido pelo professor Suíço Michael Grätzel em 1991, podendo desenvolver-se numa alternativa econômica à tecnologia do silício. O material básico da “Célula de Grätzel” é o semicondutor de dióxido de titânio (TiO₂). No entanto, não funciona na base de uma junção p-n no semicondutor, absorvendo a luz num corante orgânico, de forma semelhante ao modo com que as plantas usam a clorofila para capturar a energia da luz solar através da fotossíntese.

As pequenas células de laboratório alcançaram uma eficácia de 12 %. Os módulos do primeiro lote de produção limitada da firma australiana STA, têm uma eficiência de aproximadamente 5 %.

As modestas eficiências sob as condições de referência CTS (Condições de Teste Standard), são contrabalançadas pela elevada eficiência em termos comparativos para baixas intensidades de radiação. As células nanocristalinas com corantes, provaram ser muito tolerantes aos ineficazes ângulos de incidência da luz solar e a sombras.

Ao contrário das células cristalinas, a sua eficiência cresce com o aumento da temperatura. Como resultado, são utilizadas para pequenos dispositivos em espaços interiores e na integração em edifícios. Neste último caso, as células com corantes oferecem novas e estimulantes possibilidades de desenho, graças à sua flexibilidade em termos de transparência e à sua coloração avermelhada (de cor ocre), que pode evoluir para cor verde-cinza, conforme o corante aplicado.

Produção de Energia

A libertação de electrões cria uma diferença de potencial, a ligação das células entre si aumentam essa diferença de potencial. Como as células não conseguem armazenar energia, esta energia terá de ser armazenada em baterias ou convertida para consumo imediato.

Células Solares em Série

Os painéis solares são constituídos por células solares agrupadas em série e em paralelo de modo a produzirem a tensão e a corrente necessária.

Células Solares em Série

As células solares ligadas em série (positivo com o negativo seguinte) dão uma tensão mais elevada.

Neste caso concreto, a ligação de duas células em série, cada uma de 0,42 Volts produz uma tensão total de 0,84 Volts. Se pretendermos uma saída de 12 volts, têm de existir pelo menos 29 células.

As células fornecem uma tensão relativamente constante se a corrente consumida não exceder o ponto de potencia máxima ( MPP).

Células Solares em Paralelo

Células Solares em Paralelo

As células solares ligadas em paralelo (positivo ao positivo, negativo com o negativo) permitem o débito de uma corrente mais elevada.

Neste caso concreto, a ligação de duas células em paralelo, cada uma de 0,42 Volts produz uma tensão total de 0,42 Volts. POr muitas células ligadas em paralelo a tensão nunca seria superior a uma única.

As células fornecem uma tensão relativamente constante permitindo aproximadamente o dobro da corrente elevando assim a potencia máxima ( MPP).
A conjugação de células ligadas em série, ligados por sua vez em paralelo, permitem-nos ter tensões mais elevadas com possibilidade de correntes mais elevadas. É este o principio do painel solar fotovoltaico, para calcular a tensão e corrente necessária utilize Cálculos de Utilização

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Tipos de células:

Existem vários tipos de células em função do método de fabrico e material utilizado.

• Silício amorfo: Células obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal.
  Eficiência na conversão de luz solar em electricidade varia entre 5% e 7%;
• Silício monocristalino: Células obtidas a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas quadradas finas (0,4-0,5 mm de espessura).
  Eficiência na conversão de luz solar em electricidade é superior a 12%;
• Silício policristinalino: Células produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de bocados de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais.
  Eficiência na conversão de luz solar em electricidade é ligeiramente inferior do que nas de silício monocristalino;
• Células nanocristalinas sensibilizadas com corantes: Em fase de desenvolvimento e comercialização, índices elevados com elevadas temperaturas e baixos níveis de radiação;
• CIGS: Utilizam na sua composição Cu(In,Ga)Se₂ (Cobre, Indio, Gálio, Selénio), têm um rendimento de 13%. Existem alguns problemas de abastecimento uma vez que 75% do Indico distribuído comercialmente está a ser utilizado na produção de LCD e Monitores de Plasma;
• Arsenito de gálio (GaAs): é actualmente a tecnologia mais eficaz apresentando níveis de eficiência de 28%. O seu preço é extremamente elevado utilizando-se sobretudo em aplicações espaciais (colectores solares em satélites, por exemplo);
• Telureto de Cádmio (CdTe): Embora constituam um pouco mais de 1% do mercado de energia solar fotovoltaica, a sua utilização é pouco apelativa devido ao elevado nível de toxicidade do cádmio.

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Sensibilidade Espectral

Sensibilidade ao Espectro Luz

Em função do material e da tecnologia utilizada, as células solares podem ter maior ou menor eficácia na conversão das diferentes bandas de cor da luz solar em electricidade. A sensibilidade espectral define a faixa da radiação para a qual a célula funciona de um modo mais eficaz e influência a eficiência sob diferentes condições de radiação. A maior parcela de energia solar está concentrada na faixa da luz visível entre 400 nm e 800 nm.


Enquanto as células solares cristalinas são particularmente sensíveis à radiação solar de onda longa, as células de película fina utilizam melhor a luz visível. As células de silício amorfo podem absorver a radiação de onda curta com eficácia. Em contraste, os materiais CdTe e CIS são mais adequados para as ondas de comprimento médio.

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Módulos Fotovoltaicos

Modulo Fotovoltaico

O módulo fotovoltaico é composto por células individuais ligadas em série. Este tipo de ligação permite adicionar tensões. A tensão nominal do módulo é igual ao produto do número de células que o compõem pela tensão de cada célula (aprox. 0,42 a 0,6 volts). Geralmente produzem-se módulos formados por 30, 32, 33 e 36 células em série. Procura-se dar ao módulo rigidez na sua estrutura, isolamento eléctrico e resistência aos factores climáticos. Por isso, as células em série são encapsuladas num plástico elástico (Etilvinilacelato) que faz também o papel de isolante eléctrico, um vidro temperado com baixo conteúdo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plástica multi-camada (Poliéster) na face posterior. Em alguns casos o vidro é substituído por uma lamina de material plástico transparente. O módulo tem uma moldura composta de alumínio ou poliuretano e caixas de ligações às quais chegam os terminais positivo e negativo da série de células. Nos terminais das caixas ligam os cabos que ligam o módulo ao painel fotovoltaico.

Painéis Fotovoltaicos

O painel solar fotovoltaico ou colector solar fotovoltaico é constituído por vários módulos ligados em paralelo e série.

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Aplicações Painéis Solares

• Painéis de baixa voltagem / baixa potência utilizam de 3 a 12 pequenos segmentos de silício amorfo, com uma superfície total de alguns centímetros quadrados. A tensão debitada é de 1.5 a 6 V com uma potencia de alguns miliwatts. Utilização:Relógios, Calculadoras, GPS, pequenos dispositivos eléctricos;
• Pequenos painéis de 1 a 10 W com 3 a 12 V. Utilização: Rádios, Jogos, Bombas de água;
• Grandes painéis de 10 até 60 W, com uma tensão de 6 ou 12 V. Utilizaçãoprincipal é feita essencialmente em grandes bombas de água, para responder às necessidades de electricidade de caravanas (luz e refrigeração) e utilização doméstica direccionada para dispositivos individuais (lâmpadas de jardim por exemplo).

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Eficiência Sistemas Fotovoltaicos

A eficiência de um sistema fotovoltaico depende de:

• Eficiência dos vários componentes do sistema;
• Interligação e coordenação entre si;
• Tipo de cargas que o sistema pretende alimentar.

Perdas e rendimento

O rendimento do painel depende de:

• Tipo de células;
• Radiação solar;
• Temperatura;
• Sujidade do painel.

O valor nominal do rendimento é fornecido pelo fabricante. Caso não seja fornecido directamente pode ser deduzido a partir da potência de pico e da área do painel. A potência de pico é a máxima potência (MPP) que o painel consegue debitar em condições de teste standard.

hp=100 * Pp / A

hp - rendimento do painel (%)
Pp - potência de pico do painel (kWp)
A - área do painel (m2)

O rendimento e a potência de pico devem ser calculadas para as condições STC (standard test conditions) radiância solar de 1kW/m2 e a uma temperatura de 25ºC. As perdas na bateria são devidas essencialmente a dois factores: auto descarga da bateria e nível de tensão demasiado alto, impedindo que o painel esteja no seu ponto de funcionamento de máxima potência. Para corrigir este último tipo de perdas deve proceder-se a um correcto dimensionamento do regulador de carga.

As perdas do inversor dependem da magnitude e das características da carga que está a alimentar.
Para avaliar a eficiência global do sistema são consideradas duas componentes:

Rendimento das fontes de energia considera que o sistema está a funcionar com uma performance de 100% sendo independente da carga. Ou seja, para um determinado sistema, o melhor rendimento é aquele que corresponde apenas ao rendimento dos geradores não considerando qualquer da aparelhagem que complementa o sistema, sendo ignoradas as perdas nas baterias, carregadores, inversores etc. Assim a energia de saída das fontes de energia será:

Esf=Es*hp*A

Esf é a energia de saída da fonte de energia (kW/year)
Es é a energia solar (kWh/m2/ano)

Índice de performance (PR, performance ratio) sendo este o valor percentual que mede o afastamento do desempenho do sistema em relação às condições óptimas de funcionamento. Este Índice dá uma medida da razão entre a energia realmente consumida pelas cargas e a energia que o sistema é capaz de produzir.
Este índice de performance tem valores que dependem do tipo de sistema a alimentar. A energia fornecida à carga será dada por:

Ess=PR*Es*hp*A

Ess é a energia fornecida à carga (kWh/ano)
PR é o Índice de performance