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Engenharia Eléctrica 2° Ano – 2014 Produção de Energia - I
- PARTE I Índice
- 1.1.Introdução
- 1.2.Objectivos.....................................................................................................
- 1.2.1.Geral..........................................................................................................
- 1.2.2.Específicos
- PARTE II – Centrais Solares
- 2.1. Tipos de células
- 2.1.1. Silício monocristalino
- 2.1.2. Silício policristalino
- 2.1.3. Filme Fino ou Silício amorfo
- 2.2. Critérios para a escolha de um módulo fotovoltaico
- 2.3. Critérios para a escolha do local para instalação de uma central solar
- 2.3.1. Disponibilidade de radiação solar
- 2.3.2. Baixo nível de pluviosidade
- 2.3.3. Inexistência de projecções de sombra.
- 2.4.Determinação da potência a instalar numa central solar fotovoltaica
- 2.4.1.Sistemas autónomos
- 2.4.1.1.Determinação da potência do gerador fotovoltaico
- 2.4.1.2.Estimativa do factor de perdas
- 2.4.2.Sistemas Ligados à Rede........................................................................
- 2.4.2.1. Determinação de número máximo de módulos a ligar em serie ( )
- 2.4.2.2. Determinação de número de módulos a ligar em paralelo
- 2.5. Vantagens e desvantagens das centrais solares fotovoltaicas Engenharia Eléctrica 2° Ano – 2014 Produção de Energia - I
- 2.5.1. Vantagens
- 2.5.2. Desvantagens
- PARTE III – Centrais Eólicas............................................................................
- 3.1.Critérios para a instalação de uma central eólica
- 3.1.1.Disponibilidade do vento
- 3.1.2.Contexto da geração de energia
- 3.1.3.Posicionamento de unidades geradoras
- 3.2.Tipos de turbinas eólicas (Aerogeradores)
- 3.2.1.Aerogeradores de eixo vertical
- 3.2.1.1.Algumas turbinas de eixo vertical
- 3.2.2.Aerogeradores de Eixo Horizontal
- 3.2.2.1.Alguns tipos de turbinas eólicas de eixo horizontal
- 3.3.Vantagens dos modelos de geradores de vento verticais
- 3.3.1.Desvantagens dos modelos de geradores de vento verticais
- 3.3.2.Vantagens dos modelos de geradores de eixo horizontal
- 3.4.Critérios para a escolha de um aerogerador
- 3.5.Determinação da Potência numa Central Eólica
- PARTE IV
- 4.1.Conclusão
- 4.2.Bibliografia..................................................................................................
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1.2. Objectivos
1.2.1. Geral
O objectivo geral do presente trabalho é de falar da produção de energia eléctrica através da energia solar fotovoltaica e da energia eólica.
1.2.2. Específicos
À nível de produção de energia eléctrica através da energia solar fotovoltaica os objectivos específicos são:
Identificar os tipos de módulos solares; Descrever os critérios para a escolha de um painel solar; Falar dos critérios para a escolha do local para instalação de uma cen- tral solar; Descrever da determinação da potência; Falar das vantagens e desvantagens. A nível da produção da energia eléctrica através da energia eólica os objectivos específicos são:
Descrever os Critérios para a escolha da instalação de uma central eóli- ca; Identificar os tipos de turbinas eólicas; Descrever os critérios para a escolha de uma turbina eólica; Falar da determinação da potência de uma central eólica.
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PARTE II – Centrais Solares
Em termos económicos, o desenvolvimento das nações está intimamente ligado ao consumo e ao preço da energia. O uso de energia solar fotovoltaica tem surgido como uma possibilidade real em novas construções de unidades residenciais, sendo uma alternativa muito interessante para consumidores que buscam uma forma de diminuir os gastos com uso de energia eléctrica.
O uso da energia solar fotovoltaica para a produção de energia eléctrica passa pelo aproveitamento da insolação que incide sobre o painel, mas tal aproveitamento da insolação depende do tipo de células de que o painel é construído, por isso à seguir, iremos falar dos principais tipos de células solares disponíveis no mercado para comercialização.
2.1. Tipos de células
Existem basicamente três tipos de células, conforme o método de fabricação:
2.1.1. Silício monocristalino
Representam a primeira geração. Obtêm-se a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais.
As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas finas (0,4-0, mm de espessura). O seu rendimento eléctrico é relativamente elevado (aproximadamente 16%, podendo subir até cerca de 23% em laboratório), mas as técnicas utilizadas na sua produção são complexas e caras. Por outro lado, é necessária uma grande quantidade de energia no seu fabrico, devido à exigência de utilizar materiais em estado muito puro e com uma estrutura de cristal perfeita.
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2.1.3. Filme Fino ou Silício amorfo
São as que apresentam o custo mais reduzido, mas em contrapartida o seu rendimento eléctrico é também o mais reduzido (aproximadamente 8% a 10%, ou 13% em laboratório). As células de silício amorfo são películas muito finas, o que permite serem utilizadas como material de construção, tirando ainda o proveito energético.
Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício ou outros materiais semicondutores sobre superfícies de vidro ou metal.
Figura 3: Painel solar de Filme Fino (a-Si)
2.2. Critérios para a escolha de um módulo fotovoltaico
Quando analisamos a chapa característica de um painel, vamos encontrar muitos dados relatados. Todos os dados são úteis na determinação da qualidade do painel e decidir se as suas características respondem às necessidades e requisitos. Além dos dados técnicos do painel é importante considerar os seguintes aspectos:
a) Garantia
Este aspecto é muito importante. Existem dois tipos de garantias que temos que verificar antes de comprar: a garantia do produto (defeitos de conformidade e de fabricação de painéis) e da garantia de execução. Nesta garantia, o fabri- cante nos assegura que, ao longo do tempo, o painel não baixará de rendimen- to.
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b) Tipos de células
As células solares podem ser feitas com materiais diferentes. Os materiais mais utilizados são o silício monocristalino e silício policristalino. As células de silício monocristalino são obtidas por um corte de um único cristal de silício, são frequentemente mais eficiente e de custo mais alto. Um painel de silício monocristalino ocupa menos espaço do que um painel de silício policristalino.
c) A eficiência do painel
É expressa em percentagem, e indica a quantidade de energia solar que um painel consegue transformar em electricidade, considerando uma condição de radiação de 1000Watt / m² que bate na sua superfície, um painel fotovoltaico com eficiência de 14,5% vai produzir 145 Wh/ , Mas isso só funciona assim em laboratórios. Na vida prática existem outros factores a se considerar como a temperatura ambiente, posicionamento do painel etc. Duas dicas para manter a máxima eficiência dos painéis são: a limpeza dos painéis e a orientação e incli- nação dos painéis solares fotovoltaicos.
d) Tolerância de potência
A potência nominal dos painéis fotovoltaicos podem ser sujeitas a pequenas variações na fase de fabricação. Quanto menor é a tolerância declarada pelo fabricante, o desempenho dos painéis será estável e previsível. Escolher pai- néis com tolerância apenas positiva nos assegura uma potência nominal sem- pre garantida ou mesmo ultrapassada.
e) Qualidade da “moldura” de alumínio do Painel Fotovoltaico
O quadro de alumínio, que vai ao redor do painel solar fotovoltaico é um bom indicador da qualidade geral da fabricação do painel fotovoltaico, portanto e importante verificar bem os cantos dos painéis de modo a saber se os mesmos encontram-se perfeitamente unidos.
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2.3. Critérios para a escolha do local para instalação de uma central solar
Os principais critérios para a escolha do local para a instalação de uma central solar são descritos a seguir:
2.3.1. Disponibilidade de radiação solar
A disponibilidade de radiação solar constitui o principal requisito para a instalação de uma central solar, visto que a radiação solar é fonte primária de energia para este tipo de central.
O local a instalar uma central solar deve estar sob radiação solar durante todo dia. A radiação solar também denominada energia total incidente sobre a superfície terrestre, depende da latitude local e da posição no tempo (hora do dia e dia do ano). Isso se deve à inclinação do eixo imaginário em torno do qual a Terra gira diariamente (movimento de rotação) e à trajetória elíptica que a Terra descreve ao redor do Sol (translação ou revolução).
A intensidade da radiação solar e a duração anual da luz solar determinam a quantidade de energia que se pode obter numa certa situação geográfica.
Desse modo, para maximizar o aproveitamento da radiação solar, pode se ajustar a posição do painel solar de acordo com a latitude local e o período do ano em que se requer mais energia.
2.3.2. Baixo nível de pluviosidade
Uma das grandes desvantagens das centrais solares é o facto de não poderem produzir nos dias chuvosos, para tal o local que se pretende instalar uma central solar deve ter baixos índices de chuvas, para permitir que haja um aproveitamento efectivo da radiação solar na produção de energia eléctrica.
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2.3.3. Inexistência de projecções de sombra.
Para escolher o local para instalação de uma central solar, deve-se fazer um estudo na vizinhança do local de modo a verificar a existência de construções que projetem sombra, pois o local não deve estar sujeito a estas sombras, principalmente no período de melhor radiação (habitualmente das 9 às 17 horas).
Deste modo o local deve situar-se distante de prédios, torres de antenas de comunicação e arvores.
2.4. Determinação da potência a instalar numa central solar fotovoltaica
Os sistemas de geração de energia fotovoltaica dividem-se em duas partes:
Sistemas autónomos e Sistemas ligados a rede. Deste modo a determinação de potência para os dois sistemas é feita de formas diferentes. De seguida iremos analisar como é feita a determinação de potência em cada sistema.
2.4.1. Sistemas autónomos
Um sistema fotovoltaico autónomo é fundamentalmente concebido para alimentar um conjunto de cargas que operam isoladas da rede eléctrica, durante todo o ano. Neste contexto, o dimensionamento de um sistema fotovoltaico autónomo é normalmente efectuado através do conhecimento prévio da intensidade da radiação solar disponível, correspondente ao mês com menor número de horas solares equivalentes. Este tipo de sistemas, para além de integrarem os painéis solares, deve também incluir os seguintes equipamentos: as baterias, o controlador de carga, inversor.
Os sistemas autónomos para alimentação de instalações domésticas ou outras podem ser utilizados de acordo com os seguintes tipos de aproveitamento:
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Figura 5. Sistema autónomo com cargas CC e CA.
2.4.1.1. Determinação da potência do gerador fotovoltaico
A determinação da potência do gerador fotovoltaico (potencia a instalar) numa central solar é feito, em primeiro lugar, fazendo o levantamento de cargas à alimentar, ou seja, determinar a demanda a satisfazer. Este processo é feito tendo em conta cargas de corrente alternada (CA) e de corrente contínua (CC), pois para cargas de corrente alternada deverá prever-se um inversor de CC para CA.
Processo de levantamento de cargas deve ser feito tendo em conta não só a natureza a corrente (CA ou CC), mas também as horas diárias que os equipamentos encontram- se em serviço.
Depois de se fazer o devido levantamento de cargas, deve-se calcular o consumo da instalação em Wh/dia. A tabela abaixo configura um exemplo simples relativo ao procedimento de levantamento de cargas de consumo diário.
Equipamentos
Número (n)
Horas de uso/dia (h/dia)
Potencia (W)
Energia diária (Wh/dia)
Lâmpadas 4 12 100 4800
Frigorifico 1 24 150 3600
Televisor 2 6 120 1440
Computador 2 8 240 3840
Totais
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A quantidade total de energia que é necessário prever para garantir a alimentação diária de todos os equipamentos, corresponde ao somatório das energias parciais consumidas pelos diferentes equipamentos utilizados é
de , foi calculado pela fórmula.
2.4.1.2. Estimativa do factor de perdas
A capacidade que um gerador fotovoltaico tem em alimentar as diversas cargas, está sujeita a algumas perdas inerentes ao sistema. Entre estas, aquelas que têm maior expressão são as que se referem às perdas nos cabos eléctricos perdas no inversor e regulador de carga.
Para o presente exemplo iremos considerar os seguintes valores:
Perdas nos cabos = 3%
Perdas no regulador de carga e inversor = 15%
Desta forma os rendimentos correspondentes aos cabos, regulador de carga e inversor serão:
Rendimento dos cabos: ;
Rendimento (regulador + inversor): ;
Rendimento total: K =
O gerador fotovoltaico (FV) deverá ter uma potência (P) que deverá garantir a satisfação das necessidades de consumo diário de energia.
De referir que o consumo diário de energia já foi calculado na tabela anterior
que é de.
A potência a instalar na central calcula-se de acordo com a seguinte equação:
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Figura 6 : Esquema de um gerador fotovoltaico e dos respectivos equipamentos de interface com a rede eléctrica.
As especificações técnicas (obtidas através do catálogo do fabricante) do módulo seleccionado determinam as etapas seguintes que diz respeito ao dimensionamento do sistema.
A determinação do número máximo de módulos que podem ser instalados na área disponível. Este número permitirá estimar de forma aproximada a potência total que é possível instalar na área que se tem disponível.
Deste modo iremos determinar o número máximo de módulos, para depois determinarmos a potência a instalar.
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2.4.2.1. Determinação de número máximo de módulos a ligar em serie ( )
O valor da tensão de trabalho do inversor resulta do somatório das tensões individuais dos módulos que estão ligados em série. Atendendo a que a tensão do módulo e por conseguinte, a tensão total do gerador fotovoltaico depende da temperatura, as situações operacionais extremas de Inverno, são determinantes para o dimensionamento. O número máximo de módulos que é possível ligar em série ( ) é obtido através da seguinte equação:
Onde
- Número máximo de módulos a ligar em série;
- Tensão máxima CC no inversor; -Tensão em circuito aberto do módulo à temperatura de .
Por vezes o último valor não vem directamente especificado nas tabelas técnicas dos fabricantes dos módulos, sendo antes fornecido o coeficiente
, expresso em ().
Por exemplo, a tensão de circuito aberto para o módulo Shell SM 100-12, tem o valor de 21V. Para este módulo, a tabela técnica disponibilizada pelo fabricante específica para o coeficiente o valor de ( ). Deste modo a Tensão em circuito aberto do módulo à temperatura de , ( ) pode ser determinado pela seguinte formula:
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Atendendo que já se encontram calculados os valores referentes à tensão de trabalho (U) e corrente de trabalho (I), a potência a instalar na central ( ) será calculada da seguinte maneira:
2.5. Vantagens e desvantagens das centrais solares fotovoltaicas
2.5.1. Vantagens
As centrais solares fotovoltaicas apresentam um grande número de 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 ou de quilowatts; O custo de operação é reduzido - a manutenção é quase inexistente: não necessita combustível, transporte, nem trabalhadores altamente qualificados; Qualidades ecológicas - o produto final é não poluente, silencioso e não perturba o ambiente; Vida útil superior a 20 anos ; Permite aumentar a potência instalada - por meio da incorporação de módulos adicionais.
2.5.2. Desvantagens
Tecnologia muito sofisticada - O fabrico dos módulos fotovoltaicos necessita de tecnologias muito sofisticadas, necessitando para tal um custo de investimento muito elevado; O rendimento real de conversão dum módulo é reduzido (o limite teórico máximo numa célula de silício cristalino é de 28%), face ao custo do investimento.
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Os geradores fotovoltaicos raramente são competitivos do ponto de vista económico , face a outros tipos de geradores (como por exemplo geradores a gasóleo). 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.
