T E O R I A     (Referencial Físico Matemático)
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1. GERAÇÃO DE ELETRICIDADE A PARTIR DE ENERGIA SOLAR

Energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia radiante (e, em certo sentido, da energia térmica) proveniente do Sol, e posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente para aquecimento de água ou como energia elétrica ou mecânica.

No seu movimento de translação ao redor do Sol, a Terra recebe 1410W/m² de energia, medição feita numa superfície normal (em ângulo reto) com o Sol. Disso, aproximadamente 19% são absorvidos pela atmosfera e 35% são refletidos pelas nuvens. Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar está na forma de luz visível e luz ultravioleta. Existem múltiplas formas para o aproveitamento dessa energia solar que chega à superfície de nosso planeta.

A transformação de energia solar em eletricidade é uma das formas mais importantes de emprego da energia solar, pois representa a possibilidade da geração de eletricidade a partir de uma fonte de energia renovável e limpa.

A geração de eletricidade a partir de energia solar tem-se realizado de duas formas fundamentais.

a) Por conversão direta

A conversão direta é realizada a partir de células fotovoltaicas. Nesta conversão a energia solar atinge uma célula fotovoltaica e gera eletricidade, sem outra transformação intermédia.
A célula fotovoltaica consiste numa camada única e de grande superfície de díodo de junção (junção de materiais semicondutores, conhecida como junção p-n). Esta célula possui a capacidade de gerar uma corrente elétrica utilizável a partir de uma quantidade de luz incidente, com os comprimentos de onda da luz solar. Estas células são normalmente feitas utilizando-se placas de silício.
A composição de múltiplas células conectadas umas com outras, em disposições em série e paralelo, dão forma aos painéis fotovoltaicos, os quais constituem a forma comum em que conhecemos estes geradores.




Painéis fotovoltaicos para geração de energia elétrica.

A geração de eletricidade por painéis fotovoltaicos não emprega nenhum elemento dinâmico, razão pela qual é muito simples sua montagem e manutenção.
O uso de múltiplos painéis solares permite a entrega da energia que se demanda pelo usuário. Assim, se encontram aplicações onde apenas se empregam algumas células fotovoltaicas para o fornecimento de energia, como nas pequenas calculadoras de bolso, e outras aplicações de tamanho médio onde se utilizam uns poucos painéis, como na alimentação de energia elétrica de residências individuais ou pequenas escolas rurais. Mas também, existem aplicações de maiores dimensões, onde centos e milhares de painéis fotovoltaicos ficam ligados formando verdadeiras centrais de geração de eletricidade que podem fornecer energia a um considerável número de usuários.

b) Por conversão indireta

A conversão indireta da energia solar em eletricidade se produz numa central térmica, semelhante a uma termelétrica. A central de geração elétrica a partir de energia solar apenas se diferencia da termelétrica na fonte de calor usado para o funcionamento do gerador de vapor. Na termelétrica utiliza-se um combustível para aquecer a água e produzir o vapor que move a turbina, que faz girar o gerador elétrico. Na central solar a energia radiante solar, comumente, é concentrada por meio de espelhos parabólicos sobre superfícies absorvedoras (geralmente superfícies escuras), as quais aquecem a água (ou outro fluido usado), transformando-a em vapor para enviá-la à turbina e fazer girar o gerador elétrico.

As centrais solares de geração elétrica por via indireta apenas se justificam para potências relativamente grandes (da ordem de milhares de quilowatt), pois o custo de investimento não é viável para baixas potências. O esquema das centrais compõe-se com múltiples elementos, alguns dos quais são roto-dinâmicos (como a turbina e o gerador elétrico), assim sua operação e montagem é muito mais complexa que no caso da geração elétrica com painéis fotovoltaicos.

Como observado, a conversão fotovoltaica é muito mais adaptável às aplicações de diferentes capacidades e também, mais simples para sua utilização.


1.2 Vantagens e desvantagens da energia solar

Vantagens:

  • A eletricidade gerada a partir de energia solar é limpa, isto é, não polui o meio ambiente durante seu uso. Embora exista poluição durante a fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares, esta é totalmente previsível, utilizando as formas de controles existentes atualmente.

  • As centrais fotovoltaicas necessitam de manutenção mínima.

  • Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo em que seu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a geração de eletricidade a partir de energia solar uma solução economicamente viável.

  • A geração de eletricidade a partir de energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois a instalação de painéis fotovoltaicos em pequena escala em ditos locais, evita os enormes investimentos em linhas de transmissão para transportar a eletricidade e as perdas de energia na transmissão.

  • Em países tropicais, como o Brasil, a geração de eletricidade a partir de energia solar é viável praticamente em todo o território, embora seja muito mais competitiva em locais longe dos centros de produção energética.

Desvantagens:

  • Os preços da eletricidade de produção solar ainda são muito elevados em relação aos preços da eletricidade gerada por outros meios de transformação da energia.

  • A energia elétrica gerada a partir de energia solar não é constante no tempo, pois as quantidades produzidas variam de acordo com a situação climática (chuvas, nuvens, etc.) e com o horário no dia, assim, durante a noite não existe produção alguma. Em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia, isto obriga à utilização de meios de armazenamento da energia elétrica produzida para poder fornecer eletricidade nos períodos de ausência de produção (de sol).

  • Locais em latitudes médias e altas, também apresentam dificuldades pois sofrem quedas bruscas na geração de eletricidade via solar durante os meses de inverno, devido à menor disponibilidade diária de energia solar.

  • As formas para o armazenamento da energia elétrica gerada a partir da energia solar são pouco eficientes quando comparadas com outras formas de armazenar energia, como exemplo, com os combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), com a energia hidroelétrica (água) ou com a biomassa (bagaço da cana).


1.3 Curiosidades da energia solar fotovoltaica

  • Em 2004, a capacidade instalada de energia fotovoltaica mundial era de 2,6GW (2,6.106kW), cerca de 18% da capacidade instalada de Itaipu.

  • Os principais países produtores de energia fotovoltaica no mundo são Japão (com 1,13.106kW instalados), Alemanha (com 7,94.105kW) e Estados Unidos (3,65.105kW). Curiosamente, todos estes países estão situados em latitudes médias e altas.

  • A maior central solar fotovoltaica do mundo fica situada em Alentejo, Portugal e tem capacidade de 1,1.104kW. Entrou em funcionamento em 27 de Março de 2007.

2. GERAÇÃO DE ELETRICIDADE A PARTIR DE ENERGIA EÓLICA

A energia eólica é a energia que provém do vento. O termo eólico vem do latim aeolicus, pertencente ou relativo a Éolo, deus dos ventos na mitologia grega e, portanto, pertencente ou relativo ao vento.

A energia eólica tem sido aproveitada desde a Antiguidade para mover os barcos impulsionados por velas ou para fazer funcionar a engrenagem de moinhos, ao mover as suas pás. Nos moinhos de vento a energia eólica era transformada em energia mecânica, utilizada na moagem de grãos ou para bombear água. Os moinhos foram usados para fabricação de farinhas e ainda para drenagem de canais, sobretudo nos Países Baixos.

A transformação da energia eólica em elétrica é produzida por um dispositivo conhecido como aerogerador. O aerogerador é constituído por uma turbina eólica acoplada a um gerador elétrico.

A turbina tem a forma de um cata-vento ou moinho. O vento que transporta energia eólica faz girar a turbina e esta move o gerador elétrico. Na atualidade utilizam-se grandes turbinas colocadas em lugares de muito vento para a geração de eletricidade.

Os aerogeradores se concentram em parques eólicos usados para conseguir uma alta produção de energia elétrica, mas também podem ser usados isoladamente, para alimentar localidades remotas e distantes da rede de transmissão.


2.1 Vantagens da energia eólica

  • A energia eólica é renovável (não se esgota), limpa, amplamente distribuída globalmente e, se utilizada para gerar eletricidade, pode substituir fontes de combustíveis fósseis.

  • Auxilia na redução do efeito estufa, pois não gera gases.

A energia eólica é hoje considerada uma das mais promissoras fontes naturais de energia.


2.2 Desvantagens da energia eólica

  • Embora os custos de manutenção sejam muito baixos nas instalações aerogeradoras, os investimentos para as instalações eólicas ainda são muito altos.

  • Os ecologistas atribuem dois problemas fundamentais a esta forma de geração elétrica, a contaminação sonora produzida pelos aerogeradores e o dano que podem causar na fauna, pelos riscos de colisões das pás com animais silvestres voadores.


2.3 Curiosidades da energia eólica

  • Em 2005, a capacidade mundial de geração de energia elétrica através da energia eólica era de 59GW (5,9.107kW), o suficiente para abastecer as necessidades básicas do Brasil.

  • Os principais países produtores de energia elétrica a partir de energia eólica no mundo são Espanha (8,26.106kW instalados), Alemanha e Estados Unidos.

  • Na Dinamarca, 23% da produção de energia elétrica total é baseada em energia eólica.


REFERÊNCIAS



  • TABARES, R. H. et al. Eletrostática: software educacional. Rio de Janeiro: Passo a Passo Tecnologia em Educação e Treinamento, 2005.

  • TABARES, R. H. et al. Eletrodinâmica: software educacional. Rio de Janeiro: Passo a Passo Tecnologia em Educação e Treinamento, 2005.

  • TABARES, R. H. et al. Eletromagnetismo: software educacional. Rio de Janeiro: Passo a Passo Tecnologia em Educação e Treinamento, 2005.

  • TABARES, R. H.et al. Laboratório interativo de eletromagnetismo: software educacional. Rio de Janeiro: Passo a Passo Tecnologia em Educação e Treinamento, 1999.