Projeto Dirigido - Final

FUNDAO UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

BARBARA BOZZA SANTOLIAGUILHERME MANTOVAN

LUIZ FERNANDO DA ROCHAPOLIANA DOS SANTOS MENDONA

RAFAEL DIAS OLIVEIRA DE ALMEIDATATIANE DE JESUS SILVA

ENERGIA SOLAR: GERAO, DISTRIBUIO E ESTUDO DE EFICINCIA

SANTO ANDR2014

1

BARBARA BOZZA SANTOLIAGUILHERME MONTAVAN

LUIZ FERNANDO DA ROCHAPOLIANA DOS SANTOS MENDONA

RAFAEL DIAS OLIVEIRA DE ALMEIDATATIANE DE JESUS SILVA


Projeto Dirigido apresentado comoexigncia parcial para obteno dograu de Bacharelado em Cincia eTecnologia Universidade Federaldo ABC.

SANTO ANDR2014

2


Projeto Dirigido apresentado como exigncia parcial para obteno do grau de Bacharelado em Cincia e Tecnologia Universidade Federal do ABC.Data:__/__/__

Professora Doutora Ruth Ferreira Santos-Galdurz _____________ (assinatura)Instituio: Universidade Federal do ABC

Professor ____________ (assinatura)Instituio: Universidade Federal do ABC

Professor ____________ (assinatura)Instituio: Universidade Federal do ABC

3

SUMRIO

TEMA............................................................................................................................5

OBJETIVO GERAL.......................................................................................................5

HIPTESES GERAIS..................................................................................................5

INTRODUO.............................................................................................................5

ESTUDO 1: ANLISE DA EFICINCIA E O USO DA ENERGIA SOLAR

MUNDIALMENTE........................................................................................................6

ESTUDO 2: COMPARAO DOS TIPOS DE CLULAS SOLRES........................25

ESTUDO 3: EFICINCIA NA TRANSMISSO DE ENERGIA...................................42

ESTUDO 4: SMARTGRIDS: SOLUO INTELIGENTE AGREGADA A PRODUO

RESIDENCIAL DE ENERGIA SOLAR.......................................................................51

ESTUDO 5: ANTENAS INTELIGENTES PARA TRANSMITIR ENERGIA SEM FIO..65

ESTUDO 6: EFICINCIA DA ENERGIA SOLAR E A RELAO COM O NGULO DE

INCIDNCIA DA LUZ SOBRE PLACAS FOTOVOLTAICAS......................................77

4

TemaEnergia solar: Gerao, distribuio e estudo de eficincia.

Objetivo geralConverter, produzir e distribuir a energia solar.

Hipteses geraisEnergia advinda do sol pode ser convertida, por alguns materiais, em energia

eltrica e esta, portanto pode ser distribuda sendo suficientemente eficiente para

fazer diferena no suprimento de energia mundial.

IntroduoCom expanso da economia mundial para satisfazer as aspiraes dos pases em

todo o mundo demanda de energia tende cada vez mais aumentar, mesmo sendo

feito grandes esforos para aumentar a eficincia no uso de energia. Dado

adequado apoio as tecnologias para uso da energia renovvel pode-se encontrar

uma forma de se conseguir atender essa demanda, a preos menores que

normalmente so previstos para a energia convencional.

Uma das tecnologias promissoras de gerao de energia renovvel a gerao da

energia eltrica atravs do uso da luz solar (que existe em grande quantidade e de

graa), para que esta converso seja possvel necessrio o uso de clulas

fotovoltaicas.

A tecnologia do uso de clulas solares (ou fotovoltaicas) tem necessidade de ser

aprimorada, pois atualmente a eficincia da converso de luz em energia eltrica em

uma clula fotovoltaica ainda no satisfatria e dispendiosa em curto prazo.

O presente trabalho tem por foco analisar como as tecnologias j existentes podem

ser usadas para otimizar o uso das clulas solares atravs do estudo de: quais

materiais so atualmente os mais eficientes para a converso da energia solar,

localizao e distribuio de como a incidncia solar se d no globo terrestre

observando como cada pas usa essa tecnologia, verificar as tecnologias de

manuteno dos painis solares aps a sua instalao, verificar se a sua distribuio

por um sistema de antenas vivel.

5

SUMRIO

ESTUDO 1 - Anlise da Eficcia e o Uso da Energia Solar

Mundialmente...........................................................................................7

RESUMO..................................................................................................7

INTRODUO..........................................................................................8

REVISO DA LITERATURA...................................................................10

JUSTIFICATIVA......................................................................................12

METODOLOGIA.....................................................................................13

1.1 Surgimento das placas fotovoltaicas e seu funcionamento..........15

1.2 Importncia do uso da energia solar e sua

eficcia.......................12

1.3 Uso da energia solar......................................................................19

CONCLUSO.........................................................................................20

BIBLIOGRAFIA.......................................................................................22

6

Estudo 1: Anlise da Eficcia e o Uso da Energia Solar Mundialmente

Aluno: Barbara Bozza Santolia RA:11050312

RESUMO

Um estudo feito sobre como a energia solar aproveitada mundialmente, dando

uma breve introduo ao tema explicando como surgiu o efeito fotovoltaico, os

primeiros painis solares e ento, a real utilizao da energia solar.

A energia solar apresenta, como qualquer forma de energia, vantagens e

desvantagens. Sua utilizao depende de vrios fatores como desde a implantao

das placas fotovoltaicas at a transformao da energia obtida em energia eltrica.

O pas que mais utiliza essa forma de energia a china, com 15,6GW de projetos

fotovoltaicos, ultrapassando a Alemanha que se mantinha invicta no topo.

Novas tecnologias esto sendo estudadas para que possa se obter uma maior

aquisio e absoro da radiao solar, para depois ser transformada em energia

eltrica. Como a preservao meio ambiente vem sendo prioridade nos ltimos

anos no polui-lo tem sido tido como primazia.

Palavras chave: energia solar; eficincia; capacidade; energia limpa.

7

INTRODUO

Diariamente ouve-se falar nos problemas da sociedade atual como o perigo do fim

da gua potvel, destruio da camada de oznio, aquecimento global,

desmatamento, extino da fauna e tambm na questo da alta demanda

energtica, que algumas vezes no suprida.

Em um passado no muito distante, a dependncia de formas de energia no era

to grande quanto atualmente, e esse cenrio tende a continuar nesse caminho,

visto que o consumo de energia est aumentando rapidamente no mundo todo,

tendo como grande destaque o aumento exorbitante desse consumo nos pases em

desenvolvimento a partir do sculo XXI.

A partir disso surgem questionamentos sobre qual a melhor fonte para se obter

essa energia necessria para os padres de vida atuais, onde os principais fatores

que so levados em considerao nessa escolha so os custos, a viabilidade e os

impactos ambientais. Dentro dessa questo, observa-se que a maior parte da matriz

energtica mundial formada por petrleo, uma fonte de energia no renovvel e

altamente poluente.

Esse fato leva a um questionamento sobre a necessidade de substituir as fontes de

energia atuais por fontes renovveis e mais limpas ambientalmente falando. Essa

questo est ganhando grande importncia nas ltimas dcadas e por conta disso,

alternativas como os biocombustveis esto surgindo e sendo adotadas em diversas

partes do mundo, tanto que, Segundo a Agncia Internacional de Energia (IEA),

dentro de 20 anos, cerca de 30% do consumo de energia ser feita atravs de

fontes renovveis.

O efeito fotovoltaico foi notado pela primeira vez pelo cientista Edmond Becquerel

em 1839. Em seus estudos, percebeu que placas metlicas submersas em um

eletrlito geravam uma diferena de potencial quando expostas luz.

As primeiras placas fotovoltaicas, feitas de selnio, tinham uma eficincia de menos

de 1%, porm, utilizando-se dos processos de purificao e dopagem, surgiu a placa

de silcio. Hoje j se fala em placas foto eletroqumicas que, basicamente, geram

energia eltrica atravs de eletrlise.

Parques solares esto sendo implantados para poder se obter energia luminosa do

8

sol que depois dever ser convertida em energia eltrica para que ento possa ser

aproveitada. Como exemplo pode-se citar a Europa, este tipo de gerao de energia

representa hoje 1% de sua matriz energtica. O continente tem como objetivo a

ampliao do uso da tecnologia fotovoltaica para 20% at 2020.

O Brasil j apresenta projetos para tambm implantar parques solares e at fazer

uma associao com as usinas hidreltricas.

A facilidade de instalao deste modo de obteno de energia faz com que possa

ser utilizada nos mais diversos ambientes como em residncias, indstrias,

shoppings e assim segue.

A Energia solar tem um grande potencial, alm do Brasil, nos continente africano,

australiano e europeu central, porm talvez tal forma de energia no esteja sendo

to bem aproveitada, com seu mximo potencial.

Portanto ser realizado um estudo sobre o uso e eficcia da energia solar

mundialmente. Como aproveitada, se realmente auxilia e faz diferena no

suprimento de energia e na demanda energtica.

9

Reviso da literatura

Surgimento das primeiras placas fotovoltaicas:

O efeito fotovoltaico foi notado pela primeira vez pelo cientista Edmond Becquerel

em 1839. Em seus estudos, percebeu que placas metlicas submersas em um

eletrlito geravam uma diferena de potencial quando expostas luz.

Em maro de 1953 o qumico Calvin Fuller, em New Jersey desenvolveu uma barra

de silcio dopado com uma pequena quantidade de glio (para torn-lo condutor).

Importncia do uso da energia solar:

Pode-se fazer uma interligao entre o consumo de energia e o desenvolvimento

humano. Aps a Revoluo Industrial a demanda energtica vem aumentando, e

quanto mais desenvolvido o pas, maior ela . Se for continuada a explorao do

planeta afim de se obter energia para suprir tal demanda crescente, muito

brevemente se aproximar um estgio onde o grau dos danos ser irreversvel.

A energia solar vem como uma nova forma de auxiliar no suprimento de energia, por

ser uma energia limpa como elica, biogs, biomassa, e mars, no geram tantos

impactos a meio ambiente.

Eficcia da energia solar:

A obteno da energia solar ocorre de forma direta ou indireta. Na forma direta, a

obteno por meio de clulas fotovoltaicas. A utilizao de energia solar como

fonte de energia possui diversos benefcios, entre eles a no poluio durante seu

uso, a grande potncia dos painis solares, a reduo contnua do custo de

produo desses painis e a viabilidade desse tipo de energia em pases tropicais

devido alta incidncia de luz solar.

H algumas desvantagens em relao a esse tipo de fonte energtica, tal como a

10

variao da quantidade de energia produzida de acordo com a situao climtica da

regio, a no produo durante a noite, problemas no armazenamento da energia

solar e o baixo dos painis solares. Logo, ser necessrio mais desenvolvimento e

eficincia para torn-la mais vivel economicamente.

Uma grande promessa para o futuro das clulas fotovoltaicas so as chamadas

clulas fotoeletroqumicas, que se baseiam em eletrlise para gerar energia.

Uso da energia solar:

Apesar da energia solar estar bem difundida na Europa, Estados Unidos, China e

Canad, ainda h um aproveitamento muito pequeno no mundo levando em conta

que Terra recebe 174 petawatts de radiao solar.

Um levantamento divulgado pela Associao Europeia da Indstria Fotovoltaica

indicou que em 2012 a capacidade acumulada de gerao de energia fotovoltaica no

mundo atingiu pouco mais de 102 gigawatts.

Tambm interessante ressaltar que a energia solar esta auxiliando pessoas de

baixa renda a obter energia atravs do uso de sistemas de aquecimento solar

compactos.

11

JUSTIFICATIVA

Energias limpas tem sido cada vez mais estudadas e utilizadas, pois de grande

importncia a preservao do planeta onde habitamos e o uso de outras energias

alm de afetar negativamente o planeta correm o risco de se tornarem escassas

prejudicando a populao em geral e causando um caos incalculvel. Como

enfoque, ser baseado como a energia solar esta sendo utilizada no mundo, sua

eficcia e tecnologias para ento analisar se esta sendo aproveitada da melhor

forma.

12

METODOLOGIA

Trata-se de um trabalho de pesquisa bibliogrfica usando palavras-chave e termos

como energia solar, eficincia, capacidade, aplicao, energia limpa. Para a

realizao do estudo e pesquisa sero utilizadas fontes como Web of Science,

Scielo, Capes, artigos cientficos e reportagens sobre o uso da energia solar. Esses

arquivos sero analisados, ento um paralelo ser feito com confronto de

informaes, anlise de contedo, o que possibilitar ter uma noo do estado do

uso e aproveitamento da energia solar mundialmente.

1.1 Surgimento das placas fotovoltaicas e seu funcionamento

Na busca por mtodos eficazes e no to agressivos ao meio ambiente, novas

fontes energticas esto sendo estudadas para que possa haver o abastecimento do

planeta sem que haja um nus maior do que benefcios.

Como um exemplo inicial, temos o caso de Juazeiro, na Bahia. Segundo artigo

publicado na Revista Brasileira de Geografia e Fsica, novos mtodos de obteno

esto sendo analisadas para que a populao possa ter acesso energia. A

localizao da regio faz com que haja grande incidncia solar e de ventos. Os

ventos podem chegar a 247,4 km/dia e possvel aproveitar 2285,653 Wh/m de

irradiao solar diariamente. Ento, para a regio, a implementao de energias

como solar e elica so viveis e podem vir a atender as necessidades

populacionais. (SILVA, SEVERO, 2012)

Para dar uma introduo, uma breve linha do tempo para explicar como foi

descoberto o efeito fotovoltaico e, assim, as placas fotovoltaicas:

O primeiro plano coletor de placa solar foi fabricado pelo suo Nicolas de Saussure

formado por uma tampa de vidro e uma placa de metal negro dentro de uma caixa

termicamente isolada. Esta estrutura era utilizada para o cozimento de alimentos.

13

O efeito fotovoltaico foi notado pela sua primeira vez pelo cientista Edmond

Becquerel em 1839. Durante seus estudos, pde obervar que placas metlicas

quando submersas em um eletrlito geravam uma diferena de potencial ao serem

expostas luz.

Em 1877, dois inventores norte americanos tendo o conhecimento das propriedades

fotocondutoras do selnio, criaram o um primeiro dipositivo que quando era exposto

luz solar produzia de energia eltrica.

E em maro de 1953 o qumico Calvin Fuller, em New Jersey desenvolveu uma

barra de silcio dopado, e para torn-lo condutor, adicionou uma pequena quantidade

de glio. Pelo fato de as cargas mveis serem positivas, o silcio foi denominado

tipo p. Seu colega, Gerald Pearson, mergulhou a barra de silcio de Fuller em um

banho quente de ltio, criando na superfcie da barra uma regio com eltrons livres,

denominando de silcio tipo n. A regio onde esses dois tipos de silcio entram em

contato, surge um campo eltrico.

Figura 1- Primeira aplicao de uma clula solar de silcio,em Americus, na

Gergia, Estados Unidos da Amrica, em 1955.

Fonte: http://solar.fc.ul.pt/gazeta2006.pdf (2006)

O processo de obteno de energia ocorre quando os ftons (energia que o Sol

carrega), do efeito fotovoltaico, incidem sobre os tomos, causando a emisso de

eltrons que gera corrente eltrica. Na forma indireta, necessria a construo de

14

usinas em extensas reas de insolao e, nesses locais, so espalhados diversos

coletores solares.

As clulas fotovoltaicas mais usadas, feitas de silcio, so caras e complicadas de se

produzir. Com o uma forma alternativa a elas, existem as clulas fotoeletroqumicas,

uma segunda gerao das clulas fotovoltaicas que, apesar de no terem o mesmo

rendimento na produo energtica, tem custo bem menos elevado.

As clulas fotoeletroqumicas se baseiam em dispositivos que absorve energia do

espectro solar utilizando um corante, que absorve a radiao, e h a separao de

cargas em um semicondutor, que se for nanoparticulado tem uma melhor eficincia.

O par redox I/I3 completa o circuito.

Figura 2: Funcionamento de uma clula fotoeletroqumica

Fonte: Olhar Nano

1.2 Importncia do uso da energia solar e sua eficcia

A energia solar tem um grande papel como fonte energtica, pois alm de ser

inesgotvel (vide escala de tempo da Terra), no polui o meio ambiente, o que j

de grande importncia para o planeta. No influi no efeito estufa, no precisa de

geradores para que a energia eltrica seja obtida.

15

Apesar de ser uma fonte de energia que precisa de grandes investimentos para

poder ser aproveitada, entre 10 e 15 anos toda a aplicao financeira j foi

recuperada, mas tambm h outras implicaes que acabam freando seu

desenvolvimento que seriam a variao da quantidade de energia produzida de

acordo com o clima da regio, a sua no produo durante a noite, problemas no

armazenamento da energia solar quando comparadas aos combustveis fsseis e o

rendimento de apenas 28% (no mximo) pelos painis solares, mas que geralmente

giram em torno de 16%.

Em 2000, o ento secretrio de energia, Bill Richardson, afirmou que [...] fontes

renovveis tero um papel muito maior, mas o mundo vai continuar a usar

quantidades macias de todos os combustveis fsseis [...] o que preocupante, j

que a maior parte dos combustveis fsseis no so renovveis e poluem o meio

ambiente e, apesar do grande avano em pesquisas e aplicaes de energia limpas

e renovveis, a citao do ex. secretrio pode ser confirmada na atualidade.

(Richardson, 2000)

Em 2003, o engenheiro Carlos Arthur de Oliveira Fernandes escreveu em um artigo

publicado na Folha de So Paulo que [...] a curto e mdio prazo, dever aumentar a

explorao direta dessa energia. medida que fica mais caro, mais raro e

politicamente mais invivel queimar combustveis como petrleo e carvo, usar a

"limpa" radiao solar tende a ser uma opo mais sensata e prtica --e a tecnologia

futura de armazenamento de energia poder resolver o problema dos pases que

tm menos dias ensolarados [...]. (FERNANDES, 2000)

De certa forma, o que foi dito pelo engenheiro se aplica tambm, porm ainda no

completamente, pois, apesar de energias vindas de combustveis fsseis estarem se

tonando mais escassas e caras, ainda so as mais utilizadas, junto com derivados

da cana e hidreltricas. O futuro que menciona ainda no o presente.

16

Figura 3 Matriz Energtica Brasileira, Anos de 2010 e 2020(%

Fonte: Google Imagens

Fazendo uma anlise, segundo uma projeo feita pela Secretaria do

Planejamento e Desenvolvimento Energtico, em 2020, a maior fonte de energia a

ser utilizada no Brasil ainda ser a do petrleo e derivados e energias renovveis,

apesar de aumentar 1% em 10 anos, ainda no sero significativamente relevantes

perante as demais.

Segundo a Gestora Ambiental Mariana Pedrosa Gonzales, em um artigo publicado

no Jornal da Energia, afirmou que no se deve ter por base investir em energias

mais caras ou mais baratas, [...] mas, sim, por uma fonte que possa contribuir de

forma estratgica e eficiente e em prol da sociedade, da economia e da preservao

do meio ambiente [...]. (Gonzales, 2011, p. 01)

Se compararmos com alguns pases que usam energia fotovoltaica, pode-se notar

que, no Brasil, essa forma de energia no tem grandes investimentos, apesar de o

pas ter grande potencial e rea territorial de alta incidncia solar.

17

Figura 4 Matriz Energtica Mundial 2006 - 2030

Fonte: Agncia Internacional de Energia (2008)

Tabela 1 Valores tpicos de implantao de usinas geradoras de energia

Fonte: ANEEL SCG, 2006, NEGRI et AL. (2003)

Se formos analisar a tabela sem um conhecimento prvio, notaremos que o custo

de implantao de placas fotovoltaicas inmeras vezes maior do que, por exemplo,

de termeltricas a diesel ou de pequenas centrais hidreltricas, porm o que no

exposto so os outros gastos que se tem com as demais formas de produo de

energia. Gira em torno de 5 vezes mais os gastos com manuteno e operao de

usinas trmicas e tambm sem levar em conta as despesas gastas com

combustvel, o qual no requisito em sistemas solares. (SHAYANI;

OLIVEIRA;CAMARGO, 2006)

18

1.3 Uso da energia solar

A energia hidreltrica uma das mais utilizadas no Brasil e, segundo informaes

obtidas atravs do Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada da USP, a usina

hidreltrica de Itaipu, que possui rea de 1.350km2 produziu 98 TWh de energia em

2008. Nesta mesma rea, incide 2.400 TWh de energia solar/ano. Se for adotada

uma eficincia de 14%, a energia eltrica gerada por esta mesma rea, de 336

TWh (aproximadamente 3,4 vezes maior que a energia gerada por toda Itaipu).

Fotovoltaico - IEE / USP

O governo brasileiro e a Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL), em 2012,

aprovaram uma 2012 uma nova resoluo que apresenta as premissas para que

pequenos proprietrios possam produzir energia solar, e o que ele no vierem a

utilizar ser enviado rede e este produtor/ consumidor receber crditos em sua

conta de luz (em kWh), e ser calculado um balano de consumo versus produo.

(GreenPeace, 2013)

Atualmente o pas que mais investe em energia solar a China, seguida da

Alemanha e Itlia. O Brasil s aparece em dcimo lugar. A China, em 2013, instalou

12GW de projetos fotovoltaicos, totalizando 15,6GW, ultrapassando a Alemanha.

(BARBOSA, 2014)

Investimento em novas tecnologias de painis fotovoltaicos mveis ento sendo

feitos. Basicamente esses painis acompanham a movimentao solar, desta forma,

conseguindo obter uma maior radiao solar, e, consequentemente, uma

temperatura mais elevada e uma maior potncia. (ALVES, 2008)

19

Figura 5: Temperatura dos Painis Fotovoltaicos e ambiente (2008)

Fonte: http://www.pg.fca.unesp.br/Teses/PDFs/Arq0343.pdf

No Cear, o engenheiro Fernando Alves Ximenes desenvolveu um carro

quadriflex. Este modelo de carro funciona com gasolina e lcool, como a maioria

dos carros flex, mas tem como inovador o fato de tambm poder se mover com

energias solar e elica. A placa fotovoltaica colocada no teto do automvel para

obter a energia solar e, no caso da energia elica, no para-choque, hlices so

instaladas. O veculo lana 40% menos gs carbnico ao meio ambiente. (CRIPIM,

2014)

20

CONCLUSO

notrio que a energia solar est sendo a cada dia mais e melhor aproveitada,

novas tecnologias esto sendo estudadas, desde a construo do painel

fotovoltaico, at a implantao do sistema que a transformar em energia eltrica

para, ento, poder ser utilizada. Porm ainda se est longe de alcanar um patamar

onde toda a capacidade que a radiao solar nos oferece para a obteno de

energia seja aproveitada ao mximo.

sempre colocado como empecilho implantao de painis fotovoltaicos devido

ao seu alto custo, porm, se for visto como uma medida tomada a longo prazo, em

torno de 15 anos, o valor gasto j ter sido recuperado se for analisada a economia

que foi feita com o gasto com energias provindas de meios fsseis.

importante ressaltar que quase no h poluio para com o meio ambiente vinda

da energia solar, que esta energia , se for levado em conta os clculos feitos para o

tempo de vida terrestre, inesgotvel. de fcil acesso e obteno quando j se tem

acesso s placas fotovoltaicas e ao sistema de converso de energia, mas mesmo

assim as energias fsseis ainda so as mais utilizadas mundialmente.

preciso que medidas sejam tomadas para que no se tenha um esgotamento dos

meio fsseis de energia para que no haja um grande desequilbrio ambiental e

econmico tambm. Investir mais em energias limpas necessrio.

21

BIBLIOGRAFIA

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22

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http://www.mma.gov.br/clima/energia/energias-renovaveis/energia-solar

23

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http://www.portalenergia.com/vantagensedesvantagensdaenergiasolar

24

Universidade Federal do ABC

Poliana dos Santos Mendona

Comparao dos tipos de clulas solares

Santo Andr

2014

25

Poliana dos Santos Mendona

Comparao das Eficincias das Clulas Solares

Relatrio final, apresentado aUniversidade Federal do ABC, como partedas exigncias para a obteno do ttulode Bacharel em Cincia e Tecnologia.

Orientador: Ruth Ferreira Santos-Galdurz

Local, ____ de _____________ de _____.

Santo Andr

2014

26

Sumrio

RESUMO....................................................................................................................27

1 INTRODUO........................................................................................................28

2 REVISO DA LITERATURA....................................................................................29

2.1 CLULAS DE SILCIO CRISTALINO...................................................................29

2.2 CLULAS DE FILME FINO..................................................................................30

2.3 CLULAS SOLARES SENSBILIZADAS POR CORANTE..................................30

2.4 CLULAS SOLARES ORGANICAS.....................................................................31

3 JUSTIFICATIVAS....................................................................................................31

4 METODOLOGIA......................................................................................................31

5 FUNCIONAMENTO DAS CLULAS SOLARES.....................................................32

5.1 CLULAS SOLARES DE SILCIO.......................................................................32

5.2 CLULAS DE FILME FINO..................................................................................34

5.3 CLULAS SOLARES SENSBILIZADAS POR CORANTE..................................35

5.4 CLULAS SOLARES ORGANICAS.....................................................................37

6 COMPARAO DAS DIFERENTES CLULAS E DISCUSSO...........................36

7 CRONOGRAMA......................................................................................................38

8 BIBLIOGRAFIA........................................................................................................39

27

ResumoUma pesquisa sobre os diferentes tipos de clula solar bem como os materiais de

que elas so constitudas realizada com a finalidade de que se possa realizar uma

comparao entre suas eficincias e viabilidades de aplicao.

Palavras chaves clula solar, eficincia, materiais.

Abstract A survey of the different solar cell as well as the materials from which they are made

is performed in order that a comparison can be made between their efficiency and

feasibility of application.

Key words - solar cell, efficiency, materials.

28

1.Introduo

Desde a descoberta do efeito fotoeltrico pelo francs Edmond Bequerel e posterior

explicao desse fenmeno por Albert Einstein, que os engenheiros e pesquisadores

tinham por objetivo conseguir utilizar esse efeito para poder gerar eletricidade, ou

ento gerar combustveis qumicos. J por volta de 1880 foi construda a primeira

clula solar, e em 1941 foi construda a primeira clula solar feita de silcio,

construda por Russel Ohl.

Uma clula solar converte luz em energia eltrica atravs do efeito fotoeltrico.

O efeito fotoeltrico consiste em fornecer energia a um eltron da camada de

valncia de um metal, onde essa energia suficiente para que o eltron consiga

escapar do seu respectivo tomo. Esses eltrons livres ento geram a corrente

eltrica. (Mario et al.2008, p.31)O material mais utilizado nas clulas solares o

silcio, apesar do silcio no ser o material ideal para converso fotovoltaica a

principal razo do uso do silcio em clulas fotovoltaicas que a tecnologia do silcio

de alta pureza j era dominada e produzida em larga escala anteriormente ao

advento da tecnologia fotovoltaica, por causa da indstria eletrnica. (Goetzberger et

al.2002,p.2)

Alm do silcio existem clulas que so constitudas tambm de Cobre-ndio-Glio-

Selnio (GIGS), existem tambm as clulas orgnicas, e as clulas solares

sensibilizadas por corante que sero detalhadas adianteApesar de a energia solar

no mundo crescer em ritmo acelerado aproximadamente 50% por ano, a sua

presena na matriz energtica mundial ainda de apenas 1% - sendo que no Brasil

de apenas 0,01%. Segundo a Agncia Internacional de Energia, a gerao

fotovoltaica em 2011 atingiu ao equivalente a cinco hidreltricas de Itaipu. Para que

essa energia possa ter uma maior participao na matriz mundial se faz necessrio

diminuir o custo da sua fabricao e o custo dos seus materiais. Portanto o

investimento em pesquisa nesta rea se torna muito importante, alm de ser

importante tambm que ocorra em paralelo a comparao entre o custo-benefcio

das clulas solares que so desenvolvidas para que dessa forma o desenvolvimento

das mesmas tenha uma melhor orientao.

A origem do desenvolvimento das pesquisas nesta rea advm da crescente

29

conscincia da necessidade de novas fontes de energia que gerem um menor

impacto ambiental e que ao mesmo tempo consiga suprir a crescente demanda do

consumo direto por energia bem como os benefcios indiretos gerados por ela.

2. Reviso da literatura

2.1- Clulas de silcio cristalino

A primeira clula solar de silcio foi desenvolvida no Bell Laboratories em 1954 por

Chapin et Al. Inicialmente com uma eficincia de 6% que rapidamente cresceu para

10%.(Goetzberger et al.2002,p.2)

Dentre as clulas solares comerciais as de silcio possuem participao de 90% do

mercado de clulas. (VASCONCELO Y, 2013, p.74) Muito se tem trabalhado para

melhorar a eficincia dessas clulas. Hoje, esto disponveis clulas de silcio

cristalino que podem ser de monocristais, policristais, e de cristal amorfo.

As clulas fotovoltaicas a base de silcio monocristalino so assim chamados por

possuir uma estrutura homognea em toda sua extenso.

Para a fabricao de uma clula fotovoltaica monocristalina necessrio que o

silcio tenha 99,9999% de grau de pureza, para que assim apresentem um melhor

desempenho quando comparadas as outras estruturas, mas por causa da alta

pureza o processo acaba por ficar mais dispendioso encarecendo o custo final da

clula. (Anlise da Insero da Gerao Solar na Matriz Eltrica Brasileira,2012, p.4)

As clulas policristalinas possuem um processo de produo que demanda um custo

menor,mas por outro lado, estas apresentam uma menor eficincia na converso da

luz solar em energia eltrica quando comparada s clulas monocristalinas.

J as clulas amorfas so fabricadas atravs da deposio de camadas muito finas

de silcio sobre superfcie de vidro ou metal. Por realizar uma absoro da luz solar

na regio do visvel e ser fabricado atravs da deposio diversos substratos

apresenta um custo reduzido na sua produo, mas o seu desempenho fica abaixo

30

das outras duas clulas j anteriormente apresentadas. (NIEDZIALKOSKI,2013,

p.21)

Tabela 1 Eficincias j reportadas das clulas de silcio amorfas multi e

policristalinas. (Dewangan et al.2012 p.1)

Tipo da clula solar Eficincia (%) Laboratrio/InstituioSi cristalino 24,7 University of New south

WalesSi multicristalino 20,3 Fraunhofer Institute of

solar energy systemSi Amorfo 10,1 Kaneka

2.2- Clulas de Filme fino

So clulas que tem como base o silcio amorfo onde so depositadas camadas

finas de outros elementos semicondutores como o Arseneto de Glio (GaAs), o

dissulfeto de cobre e ndio, Telureto de Cdmio (CdTe).

Estas clulas surgiram da necessidade de diminuir o custo das clulas feitas

somente de silcio e de inicio eram usadas apenas em calculadoras portteis e

pequenos equipamentos eletrnicos, mas devido ao desenvolvimento da rea de

engenharia de materiais,foi possvel o desenvolvimento de novos tipos de clulas de

filmes finos e sua aplicao em gerao de energia em mdia e grande escala.

Possuem uma participao no mercado de 10% e podem alcanar uma eficincia

de 18,8 %.(VASCONCELO Y, 2013, p.74)

2.3 Clulas solares sensibilizadas por corante.

As clulas solares sensibilizadas por corante ou do ingls DSSC (dye sensitized

solar cell) Possuem um mecanismo de funcionamento um pouco diferente das

clulas de silcio, foram desenvolvidas no incio dos anos 90 por Michel Gratzel e

colaboradores do Swiss Federal Institute of Technology.

O mecanismo dessa clula baseada no princpio da reao de xido-reduo e

so construdas entre dois vidros que contm um eletrlito,um lquido condutor,

nesse caso em geral feito de sal de iodo e as clulas so recobertas por um

31

corante, onde este ento absorve a luz solar.

Esse tipo de clula vem sendo constantemente desenvolvida e sua eficincia vem

apresentando uma constante evoluo desde que o primeiro artigo sobre esse tipo

de clula foi publicado em 1991, at inicio de 2014 a sua eficincia evoluiu de 7%

para os atuais 13%.( Gratzel et al.2014 p. 246)

Apesar do aumento da eficincia apresentado desde a sua descoberta esse tipo de

clula ainda no est disponvel para fabricao em larga escala.

2.4 Clulas solares orgnicas.

Estas clulas possuem esse nome porque usam materiais semicondutores base

de carbono, esses semicondutores so geralmente constitudas por um polmero

condutor e um material receptor de eltrons.

A eficincia desses dispositivos ainda limitada devido baixa absoro de luz pela

e a baixa mobilidade dos transportadores de cargas dentro da clula, mas suas

principais vantagens so a sua flexibilidade e o seu custo de produo que mais

baixo quando comparado com as outras clulas.

A eficincia alcanada por este tipo de clula at o ano de 2013 foi de 10%.

3-Justificativa

Grande potencial do uso da energia solar, menor impacto ambiental, portanto torna-

se importante o desenvolvimento de clulas solares para aplicao comercial.

4-Metodologia

A metodologia neste projeto ser realizada por meio de reviso da literatura

encontrada em livros e em artigos disponveis em sites como o Web of Science,

Nature, Elsevier, biblioteca virtual da USP.

Atravs da reviso da literatura ser levantado dados j existentes para que dessa

forma se possa comparar quais so os possveis materiais que propiciam uma

melhor eficincia para a clula solar.

32

5 Funcionamento das clulas solares

Apesar das clulas solares possurem um princpio em comum cada uma tem sua

particularidade de funcionamento.

5.1- Clulas solares de silcio

O xido de silcio para ser usado na clula solar transformado atravs de mtodos

adequados a fim de se obter o silcio na forma pura, mas como o silcio na sua forma

pura um mal condutor de eletricidade, este ento passa por um processo de

dopagem, nesse processo adicionado na estrutura do cristal de silcio tomos

como o fsforo ou como o como o Boro, no caso da dopagem com tomos de

fsforo se obtm o silcio do tipo N (silcio com eltrons livres) e no caso da

dopagem com boro se obtm o silcio do tipo P (silcio com falta de eltrons, ou

material com cargas positivas livres).

Ambos os tipos de silcio (tipo N e tipo P) so utilizados na estrutura de uma clula

solar, alm das camadas de silcios outros materiais compem a clula como

mostra a figura abaixo:

Figura 1 Exemplo de estrutura de uma clula fotovoltaca de silcio

Fonte: Google imagens.

33

Quando a camada de silcio tipo-n e silcio tipo-p so colocadas em contato e esse

contato exposto a luz solar, os eltrons livres de silcio tipo N ganham energia e se

movimentam em direo a preencher os vazios da estrutura de silcio tipo p.Por

meio de um condutor externo, ligando a camada p a camada n, gerado uma

(corrente eltrica).

5.2 Clulas de Filme Fino

Estas clulas so obtidas por meio da deposio de camadas muito finas de silcio

amorfo (a-Si) ou outros materiais semicondutores sobre superfcies de vidro ou

metal.

Estas clulas se diferenciam das de outras tecnologias pela espessura das lminas

de material semicondutor utilizado em suas estruturas (geralmente na faixa de

1m ).

Um xido de algum metal semicondutor tipo p depositado no contato frontal, esta

camada ento forma uma baixa resistncia ao fluxo de eltrons.

Um outro semicondutor chamado de intrnseco aplicado na clula para gerar um

forte campo eltrico .Este campo eltrico aplicado para melhorar o transporte de

cargas entre as junes, caso fosse utilizado apenas materiais tipo p e n a eficincia

seria muito baixa neste tipo de clula.

34

Figura 2 Estrutura simplificada de uma clula fotovoltaica de filme fino.

Fonte: Google imagens.

5.3 Clulas solar sensibilizada por corante

As clulas sensibilidades por corantes so constitudos por um fotoanodo e um

contraeletrodo.

O fotoanodo constitudo da seguinte maneira: uma superfcie recoberta por TiO2,

onde este ento passa por um processo chamado de sinterizao ao qual o TiO2

ento incorporado a superfcie do substrato, aps este processo depositada sob a

sua superfcie o corante sensibilizador.O contra eletrodo constitudo por um vidro

condutor recoberto com uma fina camada de catalisador.Entre os dois eletrodos

existe uma camada de mediador , este serve para regenerar o corante que

oxidado e tambm para fechar circuito eltrico.

Quando a clula sensibilizada por corante irradia pela luz solar ocorre a absoro

da luz pelo corante, os eltrons do corante ento so excitados para um estado

energeticamente maior, sendo que esta energia suficiente para que ocorra a

injeo destes eltrons na banda de conduo do semicondutor, logo aps a injeo

destes eltrons o corante retorna ao estado fundamental mas na sua forma oxidada,

j eltron que foi injetado na banda do semicondutor conduzido ao circuito

externo.

O mediador tem o papel de reduzir o corante que foi inicialmente oxidado, sendo

este posteriormente reduzido no contra eletrodo fechando o circuito.

35

Figura 3 Estrutura de uma clula solar sensibilizada por corante.

Fonte: ANDRADE O,M,L.Sntese e Caracterizao de Compostos de Cobalto para

Mediadores de Clulas Solares Sensibilizadas por Corantes

5.4 Clulas solares polimricas orgnicas.

A converso da luz em energia eltrica nas clulas orgnicas tem a seguinte

sequncia: absoro do fton,difuso do xciton (quasepartcula formada por um

eltron e um "buraco" ligados atravs da interao coulombiana), transporte de

cargas.

A absoro do fton se inicia quando a luz incide na clula e os ftons de energia

promovem a formao dos xcitons. Os compostos em clulas orgnicas possuem

eltrons deslocalizados, estes eltrons so excitados pela luz que ento passam

do orbital molecular mais alto ocupado para orbital molecular no ocupado mais

baixo formando uma par eltron-buraco. O comprimento de luz que pode ser

absorvido pelo material definido pela diferena de energia dos orbitais descritos

anteriormente.

Posteriormente a formao do xciton necessrio que este seja separado em

cargas positivas e negativas para que haja a criao de fotocorrente.Esta separao

de cargas ocorre no lado oposto do semicondutor onde o xciton formado, para

isso seu comprimento de difuso deve ser pelo menos igual espessura da camada

do semicondutor, porque caso no seja os xcitons se recombinam e no

36

contribuem para a formao da corrente eltrica. Alm dessa condio existe

tambm o fator de que as a dissociao dos xcitons e as cargas geradas

necessitam ser transportadas para os eletrodos dentro do seu tempo de vida til,

para isso gerado um forte campo eltrico que gerado devido afinidade

eletrnica dos materiais dos eletrodos.

Caso as condies citadas acima ocorram finalmente o transporte de cargas ocorre

e assim possvel gerar a corrente eltrica pela clula solar.

Figura 5 Esquema representativo de uma clula solar orgnica

Fonte:Google imagens

6- Comparao das diferentes clulas e discusso

Como descrito nesse trabalho h vrios tipos de clulas fotovoltaicas e diferentes

materiais dos quais elas so constitudas, apesar do mecanismo ser parecido (usar

o efeito fotoeltrico para iniciar a movimentao dos eltrons) algumas clulas so

mais eficientes que outras, como o caso da clula de silcio que se comparada

com as demais a que melhor desempenho possu,mas apesar disso a tecnologia

das clulas fotovoltaicas no acessvel pois seu custo ainda muito elevado, por

isso outros fatores so considerados no desenvolvimento das clulas fotovoltaicas

como por exemplo o custo de produo das clulas, disponibilidade dos materiais,

impacto ambiental, viabilidade de construo em larga escala.

37

A tabela abaixo utiliza esses critrios para comparar os diferentes tipos de clulas

fotovoltaicas.

Tipos declulas

fotovoltacas

Custo domaterial

paraconstruo

da clula

Eficincia

Disponvelpara

produoem largaescala

Disponibilidadedos recursos

Impactoambiental

Disponvelpara

produoem largaescala

Clula de silcio Alto 24,7 %

Sim.Participaode 90% domercado de

clulassolares.

Escasso devidoa utilizao do

silcio naindstria

eletrnica.

No Sim.Participao de 90%

do mercadode clulassolares.

Clula de filme fino Mdio 18%

SimParticipaode 10% domercado de

clulassolares

Alguns materiaisutilizados so

de difcildisponibilidadecomo Cd,Te.

Sim SimParticipao de 10%

do mercadode clulas

solaresClula orgnica ou polimrica

Baixo10% No

Materiais comboa

disponibilidade

NoNo

Clula sensibilizada por corante

Baixo 13% NoMateriais com

boadisponibilidade

NoNo

abela 2 Comparao entre o tipos de clulas fotovoltaicas.

Levando-se em considerao os critrios da tabela acima, pode-se verificar do

porque a clula solar de silcio ainda ser a mais utilizada para a fabricao dos

painis fotovoltaicos, apesar do alto custo a que apresenta uma melhor eficincia e

possu possibilidade de produo em larga escala, apesar da clula solar de filme

fino tambm ter disponibilidade para a produo industrial esta no apresenta um

bom desempenho como a clula solar de silcio, alm do fato de gerar impacto

ambiental devido aos metais pesados utilizados na sua estrutura.

As outras duas clulas fotovoltaicas no so possveis ainda de serem competitivas

no mercado justamente porque ainda no so viveis de serem produzidas em

escala industrial, indicando a importncia da continuidade no investimento em

pesquisas para o melhoramento destes dispositivos, bem como o desenvolvimento

de mtodos para produo em escala industrial.Ao compararmos as eficincias e os

seus benefcios elas podem contribuir bastante para a ampliao do uso das clulas

solares na gerao de energia.

38

7-CronogramaDatas Planejamento12/03 Incio da definio do tema do projeto19/03 Definio do tema do projeto26/03 Pesquisa bibliogrfica02/04 Pesquisa bibliogrfica e definio da

metodologia09/04 Formatao dos elementos pr-textuais,

Textuais / Como escrever o projeto:Elementos Ps-textuais e Definio de

normas como ABNT23/04 Continuao da pesquisa sobre o tema30/04 Continuao da pesquisa sobre o tema07/05 Continuao da pesquisa sobre o tema e

formatao do trabalho14/05 Continuao da pesquisa sobre o tema e

formatao do trabalho21/05 Formatao do trabalho na forma final30/05 Entrega do projeto pronto

39

8-Bibliografia

ANDRADE O,M,L.Sntese e Caracterizao de Compostos de Cobalto para

Mediadores de Clulas Solares Sensibilizadas por Corantes -2013,p.1.2.

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Gratzel M, et al. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized

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40

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acessado em 20/05/2014 s 22:30.

http://solar.smps.us/solar-cell-efficiency acessado em 19/05/2014 s 15:30

41

Estudo 3: Anlise das Vantagens de Transmisso de Energia Sem FiosAluno: Luiz Fernando da Rocha RA:11068109

1. RESUMO

Um estudo feito sobre a transmisso de energia, buscando encontrar uma maneira

que torne a propagao o mais perto de transportar tudo que foi gerado ou ao

menos reduzir as perdas pelas transformaes que essa energia sofre. Observando

as vantagens e desvantagens nos mtodos utilizados, pode ser observado que a

transmisso de energia sem fio, no s seria capaz de alcanar nveis acima dos

90% de eficincia, assim como levar a patamares onde no seria necessria a

utilizao de baterias para objetos eletrnicos portteis. As duas maiores vantagens

da transmisso de energia sem fio seriam a utilizao de pontos transmissores, sem

a necessidade de fios passando por todos os lugares o que reduz a perda no

aquecimento deles e tambm a reduo ou at mesmo excluso das baterias, j que

no teria motivos para que segurassem cargas por muito tempo.

Palavras Chaves: Witricidade, Transferncia de Energia Sem Fio;

2. ABSTRACT

A study on the transmission of energy, trying to find a way that makes the most

propagating close to transport everything that was generated or at least reduce the

losses by the transformations that energy suffers. Looking the advantages and

disadvantages in the methods used, it can be seen that the transmission of wireless

power would not only be able to reach levels above 90% efficiency, as well as lead to

levels where not to use batteries would be needed for electronic objects portable.

Furthermore, the two main advantages of wireless power transmission using

transmitters would points without the need for wires running everywhere which

reduces the heat loss in them and also the reduction or even exclusion of batteries,

since would have no reason to hold charges for long.

KEY WORDS: Witricity, Wireless Energy Transfer;

42

3. INTRODUO

Atualmente com a constante evoluo dos aparelhos eletrnicos consumindo cada

vez mais energia devido aos seus milhares de recursos, acompanhados da

necessidade de recargas cada vez mais freqentes e at mesmo vrias vezes ao

dia, ficamos escravos de fios e tomadas.

Uma possvel soluo para este problema seria tornar essas recargas ou

alimentao desses aparelhos sem a necessidade de fios conectados a eles, com

isso surgiu uma tecnologia chamada Witricity [12] que por definio, a

transmisso de energia de uma fonte de potncia para qualquer sistema eltrico

sem a necessidade de fios. Embora parea uma coisa inovadora e recente, foi com

Nikola Tesla no fim do sculo XIX, que se observou a possibilidade deste mtodo

acendendo uma lmpada, durante o Worlds Columbian Exposition.

Outra vantagem da witricity, o fato de que os receptores dessa energia so

menores do que um sistema gerador, como por exemplo uma placa fotovoltaica.

Uma placa que absorva energia solar e transforme isso em energia eltrica para

alimentar pequenos objetos, por exemplo, alm de necessitar a exposio deste ao

sol aumentaria o peso, diminuindo sua ergonomia e encareceria o preo do mesmo.

Assim pensar em micro-receptores para witricity, nos leva a idia de grandes placas

absorvendo energia solar e transformando em eltrica e transmitindo para esses

pequenos objetos, evitando a necessidade de tomadas ou fios, aproveitando

energia limpa [5].

Sendo assim este estudo buscou entender e compreender melhor a witricity para

sua aplicao e melhor ergonomia dos aparelhos usados hoje em dia em

combinao com placas solares para melhor aproveitamento desta fonte de energia.

43

4. JUSTIFICATIVA

A energia pode ser transmitida atravs de vrios mecanismos, no entanto sempre h

perdas na transformao dessa energia, buscar aparelhos que evitem a perda na

emisso e na recepo dessa energia transmitida e no meio em que ela se

propaga, levou at witricity, que se torna a mais vivel uma vez que no h perdas

pelo meio de transmisso, no entanto os estudos nessa rea revelam que a

distncia para a qual pode ser transferida curta quando se tem muita energia ou

curta com pouca energia.

5. Objetivo Especfico

Estudar as maneiras que permitam transmitir a energia pelo ar (sem fios) uma vez

que dessa maneira se reduzem as perdas por condutores, deixando a eficincia

apenas na converso dos emissores de energia e transmisso e a distncia entre

emissor e receptor.

6. Reviso da literatura

Introduo Histrica

Ao final do sculo XIX, Nikola Tesla mostrou ser possvel a transmisso de energia

eltrica sem a necessidade de condutores. No anos seguintes ele dedicou seu

tempo na propagao de energia sem fio usando a ressonncia da terra, construindo

uma torre para tal estudo.

Posteriormente, em 1964, Willian C. Brown foi capaz de criar um helicptero capaz

de voar sem combustvel, mas alimentado por um feixe de micro-ondas. Mais

adiante, em 1975, ele ainda conseguiu enviar um feixe de micro-ondas por uma

distncia de 1,6km e convertido para uma corrente contnua com eficincia de 84%.

44

Induo Magntica

A induo magntica um mtodo de transferncia de energia sem fios, essa

transferncia de energia ocorre por incorporao magntica pela Lei de Faraday. O

funcionamento se deve a uma parte do equipamento, chamado de primrio, que

recebe uma corrente alternada, dando origem a um campo magntico varivel, cujo

fluxo ao circular um ncleo ferromagntico induz uma fora eletromotriz na outra

parte, chamada de secundrio.

Acoplamento Indutivo Ressonante

Como descrito em alguns artigos, a maneira mais fcil de entender este mtodo

por sua analogia a uma pessoa que salta em um trampolim. O trampolim por possuir

uma energia mecnica ressoante ao ser pressionado pelas pernas da pessoa, esta

adquire esta energia podendo assim saltar mais alto. Desta forma como se um

dispositivo captasse a energia que vem de outro dispositivo e o intensifica com sua

prpria energia.

Micro-ondas

Microondas so ondas eletromagnticas de alta freqncia, como as de rdio. Este

se origina de um transformador, em uma tenso fixa e gera ondas eletromagnticas,

assim atravs de antenas direcionais, pode se transmitir energia por dezenas de

quilmetros.

Feixe Laser

Tambm possvel, converter a eletricidade, em um feixe laser mirado em um ponto

receptor constitudo por clulas fotovoltaicas. A eficincia de clulas deste tipo tem

aumentado gradualmente com o tempo. O custo de aquisio das clulas

fotovoltaicas e do laser ainda bastante elevado. A transmisso depende de vrios

45

fatores, como a divergncia do feixe laser, a intensidade ptica usada, a sua

aplicabilidade, etc., variando por isso a distncia percorrida.

Eficincia dos Mtodos

Considerando os trs mtodos utilizados e suas tecnologias envolvidas, pode-se

determinar que o uso deles tem aplicaes diferentes, uma vez que cada um deles

alcana uma eficincia e uma distncia de transmisso, como no grfico abaixo:

46

7. METODOLOGIA

Este trabalho teve foco em compreender as transformaes necessrias e todas as

possibilidades e aplicaes da transmisso de energia sem fio atravs da pesquisa

bibliogrfica usando palavras-chave e termos como witricidade, transmisso de

energia, transmisso sem fio, converso eletricidade em sinal para wireless.

Para a realizao do estudo e pesquisa foram utilizadas fontes como Web of

Science, Scielo, Capes e artigos cientficos. Visando buscar uma maneira de

apresentar uma resposta quanto ao uso deste mtodo de propagao de energia

eltrica.

Enfim, o estudo baseou-se apenas no entendimento de artigos que por sua vez,

continham todas informaes necessrias para a escrita deste trabalho.

47

8. CONCLUSO

Atravs dos estudos pode-se concluir que os estudos nessa rea de

transmisso esto a muito tempo sendo realizados, porm sem muitos resultados

satisfatrios, uma vez que ou voc tem muita energia sendo transmitida a pequenas

distncias, o que atenderia uma residncia, ou voc tem pouca energia sendo

levada a cada vez mais longe, o que atenderia talvez reas de difcil acesso para

conduo de energia como casas de campo muito distantes das zonas urbanas.

48

9. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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mestrado. Universidade de Aveiro. Aveiro, Portugal, 2009.

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[8] KARALIS, A.; JOANNOPOULOS, J. D.; SOLJACIC, M. Efficient Wireless Non-

radiative Mid-range Energy Transfer. Annals of Physics. MIT, Cambridge, USA. v.

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49

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transfer device. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Harbin, China, 3-5.

Set. 2008.

50

Estudo 4: SmartGrids: Soluo inteligente agregada a produo residencial de Energia Solar

Aluno: Guilherme Mantovan RA: 21032012

RESUMO

O artigo conta com o agrupamento, ou a combinao, de duas tecnologias na

distribuio e gerao de energia. Aqui as duas tcnicas colaboram-se em escala

residencial. Visando a melhoria numa escala maior, sendo assim, economia para o

consumidor final e investimento e desenvolvimento de uma concessionria.

Parte-se do menor para o grande, em que a qualidade dessa energia e a

maior garantia de fornecimento so duas das mais importantes vantagens dessa

combinao.

1. INTRODUO

A energia eltrica sem duvidas uma das maiores descobertas da histria do

homem e sendo praticamente a base da vida humana na atualidade. Com mais

tecnologias aparecendo na gerao de energia, consequentemente, maior o

consumo residencial. H poucas dcadas as casas possuam poucos aparelhos

eletroeletrnicos, por exemplo, somente geladeira e rdio em sua maioria. Nos dias

atuais as casas so equipadas com dezenas e mais dezenas de aparelhos que

necessitam de energia eltrica para seu funcionamento. Para que a energia eltrica

chegue at as residncias so necessrias redes de transmisso de energia eltrica,

que muitas vezes so obsoletas e sofrem muitos danos a estrutura.

Muitas das redes eltricas presentes nas cidades no foram pensadas de

maneira eficiente e mantem a mesma malha de fios h muito tempo. Problemas de

sobrecarga ou problemas causados por acidentes da natureza e intemperes so os

mais comuns e de grave impacto para os consumidores. Por muitas vezes esses

podem ficar horas ou at dias sem receberem a eletricidade em suas casas. Com a

demanda aumentando exponencialmente a necessidade de consumir de maneira

mais inteligente ou at mesmo diminuir o consumo energtico faz com que novos

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conceitos e tecnologias comecem a ser estudados e testados.

Dentre essas esta a smartgrid que em traduo livre rede inteligente, o

que a define de maneira simples e completa. At 2015, essa nova rede j ser

implantada na cidade de Barueri SP para testes e abastecera cerca de 250 mil

habitantes. A iniciativa de uma parceria da AES Eletropaulo com a USP/Enerq,

coordenadora do Ncleo de Apoio Pesquisa de Redes Inteligentes da USP;

Sinapsis Inovao em Energia, empresa de base tecnolgica especializada em

redes inteligentes e a FITEC, fundao especializada em projetos de

telecomunicaes e energia.

Com seu sistema automatizado por toda a extenso da malha de fios, uma

pane local facilmente contornada, literalmente. Ou seja, se uma pequena regio

sofre pane, a conduo da energia transferida para caminhos alternativos que no

foram atingidos. Assim, a energia no cortada em grandes regies, ficando

isoladas a somente o foco do problema. Alm da maleabilidade de conduo, a

automatizao facilita a identificao do problema agilizando a companhia eltrica a

resolver de maneira mais eficaz o problema.

A smartgrid, alm de transmitir de maneira mais eficiente, pode garantir ao

consumidor residencial economia na conta de energia eltrica no final do ms,

graas a troca que o cliente faz com a companhia. Em que, com a instalao de

placas solares a residncia armazena energia eltrica e a coloca na rede para outras

casas. Com isso o consumidor vende sua produo de energia e recebe como

descontos na conta de consumo. Com essa tecnologia bidirecional possvel

garantir melhor distribuio e ainda poder identificar de maneira mais rpida

qualquer erro na rede para ser solucionado.

1.1. REVISO DA LITERATURA

Em 2008 a tecnologia comea a ganhar mais destaque como descrito por Brown.

Muitas tecnologias aparecem, ganham notoriedade e aos poucos so integrados ao

dia-a-dia e ganhando cada vez mais utilidade. Em contra ponto, algumas tecnologias

aparecem e do o que falar, porm em seguida so substitudas por algo maior. O

Electric Power Research Institute em 2001 criou o IntelliGrid, projeto destinado a

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criao, integrao e aplicao de uma nova infra estrutura eltrica capaz de

aumentar a qualidade, porm de maneira econmica e mais inteligente no

fornecimento de energia eltrica.

Mais recentemente, j no se discute se essa tecnologia seria vivel ou se

realmente agregaria impactos positivos, mas sim, discute-se qual a melhor maneira

de se implantar e quais tecnologias em conjunto com a Smart Grid podem ser

usadas. Como exemplo a gerao de energia eltrica residencial para abastecer sua

prpria casa em conjunto com a rede eltrica de distribuio de alguma companhia.

E adoo de sistemas de injeo de energia eltrica na rede a partir das residncias

se a produo residencial no consumir toda a produo.

2. JUSTIFICATIVA

Todos ns sabemos que a demanda de energia necessria para abastecer as

residncias aumentam ano aps ano. E baseando-se a partir disso, temos que

desenvolver e investir em tecnologias que aumentem a produo ou que at mesmo,

economize-a de maneira inteligente.

Produes alternativas e limpas de energia eltrica j so possvel, porm, no

acessvel a toda populao. Portanto, o uso de energia solar na gerao residencial

um ponto importante e cada vez mais barato. Com a SmartGrid, isso se aproxima

ainda mais da realidade substituindo ou implementando as atuais placas solares

usados em residncia que na maioria das vezes para somente o aquecimento de

gua, para tambm servir na gerao de energia eltrica pronta para o uso.

Associando as duas tecnologias vantajoso tanto para o cliente final, quanto para

as concessionrias.

3. METODOLOGIA

O trabalho tem como sua base de fonte de dados uma pesquisa bibliogrfica em

textos e artigos cientficos, alm de balanos nacionais e internacionais energticos

e ainda algumas leis ou reportagens. Foram consultados textos de datao desde

2003 at os dias mais atuais como exemplo o Smart Grid Communications:

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Overview of Research Challenges, Solutions, and Standardization Activities de

2013. Vrios dos textos selecionados foram publicados pela IEEE em suas

conferncias pelo mundo.

Algumas as palavras chaves mais comuns usadas na pesquisa foram

smartgrids, smartgrids brasil, balano energtico, smartgrids energia solar,

dentre outras. Os dados e textos coletados foram analisados e comparados com

outros textos de mesmo tema. No fim, por meio de interpretaes podemos chegar a

um cenrio atual e projetar um estado futuro nessa rea.

3.1. Cenrio Atual Brasileiro e Primeiros Passos da SmartGrid

A possibilidade de alterar a forma de distribuio animadora e inspirou muitos em

seus estudos. Atualmente, no Brasil, j existem cidades como Barueri que

comearam a implantar o sistema de SmartGrid como a principal forma de

distribuio de eletricidade na cidade. Com investimento de cerca de R$70mi pela

AES Eletropaulo, o projeto esta em testes ainda e em fase de implantao, prevista

para beneficiar todos os habitantes da cidade at 2015.

Esse o maior investimento no seguimento no pas, porm, no foi o pioneiro. Com

a insero da AES Eletropaulo na disputa pela tecnologia, o andamento de

investimentos e crescimento da tecnologia em terras brasileiras ter maior viso e

consequentemente mais agilidade. A primeira cidade a receber esse sistema, foi a

de Aparecida pela concessionria portuguesa EDP. Uma cidade com 35 mil

habitantes e que a substituio dos medidores analgicos por digitais, cobriu cerca

de 13 mil habitantes da cidade em 2011.

At abril do presente ano, foi prometida pela Cemig a implantao da rede

inteligente na regio da cidade de Sete Lagoas, vizinha da capital do estado de

Minas Gerais.

Para o investimento da AES Eletropaulo, metade do dinheiro investido,

aproximadamente R$31mi, veio de percentual de sua receita lquida. Uma obrigao

determinada pela Agncia Nacional de Energia Eltrica em que obrigatrio o

investimento em desenvolvimento de pesquisa. A outra parcela do dinheiro provm

de investimento espontneo da empresa.

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Em 7 de agosto de 2012, a Agncia Nacional de Energia Eltrica, ANEEL, aprovou

uma resoluo que regulamenta para consumidores do Grupo B (residencial, rural e

demais classes, exceto baixa renda e iluminao pblica) os requisitos bsicos para

os sistemas de medio eletrnica de energia eltrica.

3.2. SmartGrid e os Leitores Residenciais Bidirecionais

Com o surgimento dessa tecnologia, consequentemente os aparelhos e leitores

atuais no conseguiriam acompanhar ou at mesmo continuar fazendo medies.

Ento, para a rede inteligente novos dispositivos de leitura digital foram criados.

Esses leitores ainda possuem uma capacidade bidirecional de transmisso de dados

e energia.

Colocando em uso os novos aparelhos, o acompanhamento de tenso da rede e

focos de pico de energia e alta potncia so facilmente identificados pela companhia

distribuidora. E ainda, com o avano nas tecnologias de micro gerao e micro

armazenamento de energia, como exemplo os novos carros eltricos. Em pases

que a tarifao de energia eltrica se baseia na oferta e demanda clientes deixam

seus carros carregando durante a madrugada, em que a tarifa mais barata e

quando chega do trabalho ao anoitecer em horrio de pico e maior tarifao de

energia, ele usa a energia armazenada nas baterias do carro para realizar atividades

que necessitam de eletricidade.

grande o aumento de produo residencial de energia solar, hoje principalmente

para o aquecimento de gua. Porm, com essa nova facilidade possvel j a

produo de energia solar para uso eltrico na casa. Podendo essa ser

armazenada, ou ento, ser lanada na rede eltrica da rua a produo excedente.

Isso s possvel devido a substituio dos leitores analgicos pelos bidirecionais,

em que o consumidor vende ou negocia sua produo de energia eltrica para a

concessionria.

3.3. Gerenciamento Pelo Lado da Demanda

O termo Demand Side Management (DSM), criado pelo Clark W. Gellings define e

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caracteriza que o GLD um sistema que trabalha em parceria com a distribuidora.

Ou melhor, busca o aprimoramento e identificao da curva de carga e consumo,

com isso podendo melhorar, fazendo at com que o consumidor mude seus hbitos

e maneiras de consumir energia, para conseguir diminuir os custos e para o

consumidor, seus gastos.

Em pases mais industrializados e desenvolvidos, o uso de programas energticos

baseados no GLD so bem comuns e essenciais no controle de gasto e produo

energtico do pas. Reduzindo custos em desenvolvimento de tecnologias para

gerao de energia e em alguns pases usam o programa de GLD como uma

alternativa a gerao de energia. No Brasil, o programa ainda quase no visto. O

Programa Nacional de Conservao de Energia Eltrica, PROCEL, no incentiva

seu uso e sim apenas aspectos de racionalizao e criao de novos e mais

eficientes equipamentos.

Como citado no 3.2. um exemplo de economia de energia usando a parceria entre

SmartGrid e GLD o armazenamento de eletricidade nos novos carros eltricos.

3.4. Tarifao Branca

Em 2011 a ANEEL regulamentou uma nova poltica de tarifao no consumo de

energia eltrica. Essa resoluo prev tarifas diferenciadas, com valor que varia de

acordo com trs faixas de tarifa.

- Posto de Ponta: Perodo do dia de 3 horas correntes, definido pela

concessionria como a de maior pico de consumo de acordo com a curva de carga

de sua regio.

- Posto Intermedirio: Perodo de 2 horas dirias, sendo 1 hora imediatamente

anterior e outra hora imediatamente posterior ao posto de ponta.

- Posto Fora de Ponta: Todo o perodo complementar do dia.

Segundo a regulamentao, o consumidor ainda pode escolher entre essa

modalidade branca e a modalidade convencional, que seria algo como j praticado

hoje em dia com valor fixo de tarifa durante todo o dia. O intuito de oferecer a

tarifao de modalidade branca incentivar o consumidor a conseguir maiores

nmeros em sua economia e ainda favorecer at mesmo a concessionria.

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Porm, essa escolha de modalidade possui algumas restries. Somente o

consumidor com gasto mensal entre 200kWh e 500kWh poder optar entre as duas

e os consumidores com gasto superior a 500kWh ser obrigatoriamente encaixado

na modalidade de tarifao branca. No valendo para moradores de baixa renda e

iluminao pblica.

4. CONCLUSO

Indubitavelmente, eletricidade algo necessrio e hoje fundamental para a vida e o

bem-estar humano. O problema que a cada ano a necessidade por mais energia

s aumenta. Diversas maneiras de se contornar isso foram sendo desenvolvidas

pela cincia. Seja ela para aumentar a produo, ou para diminuir seu consumo.

Nesse trabalho, sugeri a unio dos dois lados desse raciocnio. Em que se combina

uma tecnologia de gerao de energia e outra para melhorar a qualidade e

economizar no gasto.

Levando em conta vrias novas politicas tarifrias e as tecnologias associadas. A

gerao de energia residencial e a implantao de uma rede inteligente

visivelmente vantajoso o investimento e melhor ainda para o consumidor final que

paga a conta para a distribuidora.

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5. CRONOGRAMA

Datas Planejamento

12/mar Incio da definio do tema do projeto

19/mar Definio do tema do projeto

26/mar Pesquisa bibliogrfica

02/abr Pesquisa bibliogrfica

06/mai Pesquisa bibliogrfica

20/mai Pesquisa bibliogrfica

21-27/mai Desenvolvimento dos textos

29-30/maio Concluso e formatao do trabalho

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6. BIBLIOGRAFIA

ANEEL: Agncia Nacional de Energia Eltrica. ANEEL regulamenta medidores

eletrnicos. 2012. Disponvel em:

. Acesso em: 26 maio 2014.

ANEEL: Agncia Nacional de Energia Eltrica. Estrutura Tarifria Para o Servio de

Distribuio de Energia Eltrica: Sinal Econmico Para a Baixa Tenso. Disponvel

em:

. Acesso em: 26 maio de 2014

BROWN, R. E. Impact of Smart Grid on distribution system design. Power And

Energy Society General Meeting: Conversion and Delivery of Electrical Energy in the

21st Century, IEEE Power Energy Mag: Pittsburgh, Pa, p.1-4, jul. 2008.

CHIA, Ian Mauro Concha. INTERFACE DE GESTO ATIVA DE CONSUMO DE

ENERGIA ELTRICA PARA SMART-GRIDS. 2011. 59 f. TCC (Graduao) - Curso

de Engenharia Eltrica, Universidade Federal do Paran, Curitiba, 2011.

GELLINGS, C.W. The Concept of Demand-Side Management for Electric Utilities.

Gellings: The Concepto f DSM, vol. 73 (10), p. 1468-1470, 1985.

HERZOG, Ana Luiza. O Brasil na onda das smart grids. 2013. Disponvel em:

. Acesso em: 25 maio 2014.

POTTER, Cameron W.; ARCHAMBAULT, Allison; WESTRICK, Kenneth. Building a

smarter smart grid through better renewable energy information. Power Systems

Conference And Exposition, IEEE Power Energy Mag: Seattle, Wa, p.1-5, mar. 2009.

59

SAUTER, T.; LOBASHOV, M. End-to-End Communication Architecture for Smart

Grids. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, p. 1218 - 1228, abril 2011.

SOUZA, Ronilson di. Sistema Fotovoltaicos On-Grid e as Redes de

Distribuio. 2011. Disponvel em: . Acesso em: 25 maio 2014.

60

FUNDAO UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

RAFAEL DIAS OLIVEIRA DE ALMEIDA

ANTENAS INTELIGENTES PARA TRANSMITIR ENERGIA SEM FIOESTUDO 5

SANTO ANDR2014

61

RAFAEL DIAS OLIVEIRA DE ALMEIDA

ANTENAS INTELIGENTES PARA TRANSMITIR ENERGIA SEM FIOESTUDO 5

Projeto Dirigido apresentado comoexigncia parcial para obteno do graude Bacharelado em Cincia e Tecnologia Universidade Federal do ABC.

SANTO ANDR2014

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ANTENAS INTELIGENTES PARA TRANSMITIR ENERGIA SEM FIO

Projeto Dirigido apresentado como exigncia parcial para obteno do grau de Bachareladoem Cincia e Tecnologia Universidade Federal do ABC.Data:__/__/__

Professora Doutora Ruth Ferreira Santos-Galdurz _____________

(assinatura)

Instituio: Universidade Federal do ABC

Professor ____________

(assinatura)


Professor ____________

(assinatura)


63

SUMRIO

RESUMO...................................................................................................................64

1 INTRODUO........................................................................................................65

2 JUSTIFICATIVAS....................................................................................................66

3 OBJETIVO GERAL.................................................................................................66

3.1 OBJETIVOS ESPECFICOS................................................................................66

4 HIPTESES ESPECFICAS...................................................................................66

5 REVISO DA LITERATURA....................................................................................67

5.1 ENERGIA SEM FIO..............................................................................................67

5.2 ANTENAS INTELIGENTES..................................................................................68

5.3 ENERGIA SEM FIO USANDO ANTENAS INTELIGENTES.................................70

6 METODOLOGIA......................................................................................................71

7 CRONOGRAMA......................................................................................................72

8 CONCLUSO..........................................................................................................73

9 REFERNCIAS.......................................................................................................74

64

RESUMO

Neste trabalho propomos a utilizao de um arranjo de antenas inteligentes para

transmisso de energia sem fio. Um arranjo de antenas inteligentes possibilita um

controle do diagrama de radiao emitido, alinhando o lbulo principal ao receptor.

Com a reduo da radiao em direes contrrias direo do receptor,

pretendemos analisar se h um ganho de eficincia na transmisso de energia sem

fio. A execuo da proposta pretende ser feita com simulao computacional,

utilizando modelos eletromagnticos de propagao da radiao em diferentes

meios e modelos de circuitos ressonantes. Possibilitando a comparao de sistemas

que utilizam antenas inteligentes e de sistemas sem antenas inteligentes. Tambm

ser executada a construo de um dos modelos, para quantificar a eficincia dos

sistemas em modelos reais.

Palavras chave: Energia sem fio; Energia eltrica; Antenas inteligentes; Circuitos

eltricos.

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1 INTRODUO

No mundo atual, em que a rpida evoluo tecnolgica associada ao elevado

nmero de equipamentos eletroeletrnicos que so utilizados diariamente, meios

alternativos de transmisso de energia so solues para muitos problemas.

Por possibilitar uma transferncia de energia sem precisar de condutores, a

transmisso de energia sem fio mostra-se muito til em situaes em que os fios so

inconvenientes, perigosos ou impossveis de serem implantados.

Hoje, pode-se afirmar que esse tipo de transmisso uma tendncia para o futuro,

por possibilitar uma economia muito grande de recursos, evitando a produo de

cabos, possibilitando que a energia seja transmitida para locais que antes eram

muito difceis ou impossveis, como em regies de elevadas temperaturas que

prejudicam a conduo eltrica, ou em situaes mdicas, como no carregamento

de uma marcapasso, e possibilitando uma situao de mais conforto para aqueles

que usam equipamentos eletrnicos por no terem a necessidade de lig-los por um

fio a uma tomada.

Analisando essa realidade, possvel afirmar que a transmisso de energia ocupa

lugar de destaque nos futuros avanos tecnolgicos.

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2 JUSTIFICATIVAS

Possibilitar alternativas viveis para a transmisso de energia eltrica, criar

possibilidades, reduzindo a radiao emitida pela fonte em regies que no so

necessrias, evitando danos a objetos que no podem ser expostos a esse tipo de

interferncia e evitando que a energia emitida seja reaproveitada por algum receptor

indesejado.

3 OBJETIVO GERAL

Analisar a variao de eficincia na transmisso de energia sem fio com um arranjo

de antenas inteligentes.

3.1 OBJETIVOS ESPECFICOS

- Simular computacionalmente um sistema de transmisso de energia com antenas

inteligentes e comparar os resultados com os de uma simulao de um sistema de

transmisso de energia por induo.

Implementar um sistema de transmisso com antenas inteligentes, medir o seu

desempenho e comparar com o desempenho terico/computacional.

4 HIPTESE ESPECFICA

- O diagrama de radiao de um arranjo de antenas inteligentes pode ser controlado

para aumentar a eficincia de um sistema de transmisso de energia sem fio.

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5 REVISO DA LITERATURA

5.1 ENERGIA SEM FIO

A transmisso de ondas de rdio comea em 1888, quando Herts confirmou a

existncia da radiao eletromagntica (Knoepfel, 2000). Em 1891, Tesla demonstra

a transmisso de energia sem fio por meio de induo eletrosttica (Tesla, 1891), foi

usada uma bobina de induo de alta tenso. Dois anos depois, Tesla usa o mesmo

princpio para acender lmpadas fosforescentes durante a "World's Columbian

Exposition". Empolgado com os resultados, ele prope que a transmisso de sinais

seja sem fio, ao contrrio do que era feito na transmisso de informaes por

telgrafos (Barrett, 1894). As experincias deixam de ser feitas em pequenas

distncias, primeiro com Marconi, que em 1895 faz uma transmisso de rdio a uma

distncia 2,4

Projeto Dirigido - Final

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