ENERGIA SOLAR LER 244 – RECURSOS ENERGÉTICOS E AMBIENTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA RURAL ENERGIA SOLAR Prof. Tomaz Caetano Cannavam Ripoli EDIÇÃO: 2.006

PROPAGAÇÃO DA ENERGIA TÉRMICA ENERGIA SOLAR CHEGA A TERRA POR CONDUÇÃO CONVECÇÃO RADIAÇÃO AO NÍVEL MOLECULAR TRANSLAÇÃO DE MASSAS AQUECIDAS ONDAS ELETRO- MAGNÉTICAS > ENERGIA > VIBRAÇÃO > ENERG.CINÉTICA DIFERENÇA DE DENSIDADE EM f DA TEMPERATURA EMISSÃO CONTÍNUA DE ENERGIA

COMPONENTES DA RADIAÇÃO SOLAR NUVENS REFLETIDA DIFUSA DIRETA SUPERFÍCIE TERRESTRE

BALANÇO DE ENEGIA REFLETIDA 31% NUVENS E ATMOSFERA 19% ABSORVIDA DIRETA 21% DISPERSA 29% REFLETIDA 3% EVAPORAÇÃO, CONDUÇÃO PELO AR INCIDENTE LÍQUIDA RADIAÇÃO TERRESTRE

Irradiação Solar no Brasil

Sistema Convencional de Aquecimento de Água COLETOR SOLAR Sistema Convencional de Aquecimento de Água 1. caixa d’água tradicional 2. reservatório termicamente isolado para aquecimento solar 3. reservatório termicamente isolado para aquecimento auxiliar elétrico 4. resistência elétrica para aquecimento auxiliar 5. coletor solar 6 e 8. misturador de água quente e fria 7. respiro

AQUECIMENTO DE ÁGUA 1. entrada de água da rua 2. regulagem da água quente 3. entrada da água no aquecedor/reservatório 4. saída da água já aquecida 5. entrada de água aquecida no chuveiro 6. entrada de água fria, regulada pelo registro convencional do chuveiro

FONTE: HINRICHS, 2003

SISTEMA DE AR QUENTE DE PLACA PLANA.

? Q = 20.000 Btu/h . 24 horas = 480.000 Btu/dia Portanto: EXERCÍCIO: Determinar área (A) de coletor para fornecer energia térmica para aquecer, por um dia, uma casa quando a carga de calor =20.000 Btu/h e a insolação média diária no coletor (I) = 1.800 Btu/pé2 /dia e sua Eficiência (Ef) é de 50%. SENDO: Q = I . Ef . A Q = ENERGIA TÉRMICA NECESSÁRIA/DIA Q = 20.000 Btu/h . 24 horas = 480.000 Btu/dia Portanto: A = 480000 Btu/dia / 900 Btu/pé2 /dia = 533 pés2 A = 533 pés2 . 0,0929 m2 = 49,52 m2 Custo: US$600/m2 ?

O calor (Q) que deve ser fornecido pelo sistema de armazenamento é: Para as condições anteriores, calcular quantos litros de água seriam necessárias para armazenar a energia térmica para 3 dias de aquecimento. Partindo-se de que a temperatura inicial da água, no reservatório é de 1500 F e o limite inferior de uso é 900 F (o que vale dizer: a mudança de temperatura que a água será submetida será um Δt = 600 F). O calor (Q) que deve ser fornecido pelo sistema de armazenamento é: Q = 3 dias . 480.000 Btu/dia = 1.440.000 Btu Partindo-se da relação: Q = m . C. Δt Sendo: m = massa de água C = calor específico da água Δt = diferença de temperatura da água

Q = m . C. Δt 1.440.000 Btu = m . 1 . 600 F m = 24.000 lb Como: 8,3 lb = 1 galão tem-se que: 24.000 lb /8,3 lb = 2892 galões Como: 1 galão = 3,785 litros Portanto: 2.892 galões . 3,785 litros = 10.946 litros

HARPER LAKE, CA

Grupo Solaris – ESALQ/USP Aquecimento de água Aquecedor Solar Grupo Solaris – ESALQ/USP

Fogão Solar foco de energia onde fica recipiente para ser aquecido parabólica para captação da energia solar foco de energia onde fica recipiente para ser aquecido

Secador Solar

Secador Solar de Baixo Custo Grupo Solaris – ESALQ/USP

CÉLULAS SOLARES H. HERTZ EM 1887 DESCOBRIU O PRINCÍPIO DO USO DIRETO DA ENERGIA SOLAR PARA PRODUÇÃO DE ELETRICIDADE (QUANDO A LUZ ATINGE DETERMINADOS METAIS, ELÉTRONS SÃO EMITIDOS). O FENÔMENO É DENOMINADO DE “EFEITO FOTOELÉTRICO” - + LUZ e- Tubo de vácuo Luz incidindo na placa negativa, elétrons são emitidos com uma quantidade de Energia cinética inversamente proporcional ao comprimento da onda da luz Incidente.

CÉLULA FOTOVOLTAICA

SISTEMA FOTOVOLTAICO Placas solares Regulador de carga Banco de baterias Inversor

CÉLULAS FOTO VOLTAICAS

NÃO CONFUNDIR: CÉLULA FOTOVOLTAICA COM CÉLULA DE COMBUSTÍVEL!

CÉLULA DE COMBUSTÍVEL (INVENTADA HÁ 100 ANOS) É UM CONVERSOR DE POTÊNCIA QUE COMBINA UM COMBUSTÍVEL (H2 OU GÁS NATURAL) COM O O2 POR MEIO DE PROCESSO ELETROQUÍMICO, GERANDO ELETRICIDADE. ASPECTOS POSITIVOS: ELEVADA RAZÃO POTÊNCIA/PESO, NÃO POLUENTE, TAMANHO PEQUENO, ALTA CONFIABILIDADE (NÃO HÁ PARTES MÓVEIS) EFICIÊNCIA 50-70% ASPECTOS NEGATIVOS (ATUAIS): CUSTO ( US$3 A 4 mil/ Kw) DÚVIDAS QUANTO A DURABILIDADE DE ONDE E COMO OBTER O H2 (METANOL, GASOLINA)

A REAÇÃO NA CÉLULA É UMA COMBUSTÃO LENTA DO H2 ELETRODOS DE CARBONO

TIPOS DE CÉLULAS TIPOS EFICIÊNCIA (%) TEMPERATURA OPERAÇÃO (0C) TAMANHO DA UNIDADE (kW) MEMBRANA DE TROCA PROTÔNICA 40 A 50 80 50 ÁCIDO FOSFÓRICO 200 CARBONATO FUNDIDO 60 + 650 2.000 ÓXIDO SÓLIDO 800 100 ALCALINA 70 60 2 a 5 Fonte: Hinrichs, 2003

Referências GOLDEMBERG, José. 1998. Energia, Meio Ambiente & Desenvolvimento. São Paulo: EDUSP. Instituto Nacional de Meteorologia. LABSOLAR – Laboratório de Energia Solar – EMC/UFSC. Atlas de irradiação solar do Brasil. Brasília: , 1998. HINRICHS, r.a. & KLEINBACH, M. Energia e meio ambiente. Thompson, 3a. Ed. São paulo. 2003. 543 p. MELFI, Adolfo José; MONTES, Célia Regina. 2002. Disciplina de Geociência Ambiental. Piracicaba: ESALQ. Notas de aula do curso de graduação em Gestão Ambiental. MONTENEGRO, A.B. Fontes não-convencionais de energia. 3.ed. Atlas de Irradiação Solar do Brasil co-autoria do INPE. NASCIMENTO, Carlos Maia do. 2002. Conseqüências ambientais decorrentes da nova estruturação do setor elétrico e energético do Brasil. Conferência apresentada no 1º Simpósio e Exposição Internacional sobre Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável em Municípios Industriais – Paulínia 2002. Paulínia, 20 a 23 de maio de 2002. TURKENBURG, W.C. 2002. Renewable Energy: overview. Conferência apresentada no Energia 2020 - Sustentabilidade na geração e uso de energia no Brasil: os próximos vinte anos. Campinas, 18 a 20 de fevereiro de 2002. Acessado dia 01 de Junho de 2002.

Introdução ao Hidrogênio e Célula a Combustível ENERGIA, SOCIEDADE E AMBIENTE ALEXANDRE SORDI - UNICAMP

Reforma de hidrocarbonetos Hidrogênio Eletrólise da água 6,5 kWh/Nm3 (70% eficiência) Reforma de hidrocarbonetos Reforma vapor de gás natural (350 - 400ºC) 28 Nm3 H2 / 15 Nm3 CH4 (55% de eficiência) Reforma vapor de etanol (600ºC) Reforma vapor de metanol (260ºC) Reforma vapor de gasolina (900ºC) Reforma vapor do gás de gaseificação bagaço de cana Basicamente- CnHm + nH2O  H2 + nCO

Hidrogênio A reforma vapor é o método mais comum de se produzir gases ricos em hidrogênio. É uma conversão endotérmica e catalítica com hidrocarbonetos leves e vapor d’água. A reforma a vapor do metano (maior constituinte do gás natural) é o método mais barato de produzir hidrogênio; aproximadamente 48% da produção mundial de hidrogênio é produzida a partir deste processo. A reforma vapor do metano resulta em 64% de H2; 16,3% de CO2; 17,8% de H2O e 1,8% de N2. Após a reforma o gás é direcionado para a conversão exotérmica catalítica (reação de shift) do monóxido de carbono resultante produz hidrogênio puro de acordo com: CO + H2O  CO2 + H2

Hidrogênio

Armazenamento do hidrogênio Estado gasoso Em cilindros em torno de 150 atm (6,4 Nm3/570 g) Em gasômetros com pressão pouco superior à atmosférica, armazenando em 1 m3 aprox. 1Nm3 e 89 g. Energia necessária resp. (2,4 kWh/kg e 0,05 kWh/kg) Estado líquido Temperatura de -235ºC, (10-13 kWh/kg) Hidretos metálicos Composto metálico capaz de armazenar hidrogênio e liberá-lo sob aquecimento. FeTiHx, LaNiHx (4,1 kWh/kg)

Célula a combustível A célula a combustível converte a energia química de um combustível diretamente em eletricidade e calor. Basicamente: H2 + ½ O2 H2O

Célula a combustível Tipos de células a combustível PEMFC- Célula a combustível de membrana polimérica PAFC- Célula a combustível de ácido fosfórico MCFC- Célula a combustível de carbonato fundido SOFC- Célula a combustível de óxido sólido

Célula a combustível Comparação com outros conversores

Referências: ELLIS, M. W. Fuel Cell for building applications. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. 2002. EG&G Services Parsons, Inc. Science Applications International Corporation. Fuel Cell Handbook. 2000. SILVA, E. P; NEVES Jr, N. P; OLIVEIRA, F. J. C. Tecnologias, aplicações e economia do hidrogênio Vol II 1986. Laboratório de hidrogênio Unicamp – IFGW. SILVA, E. P; MOURA, J. C.; SOUZA, S. N. M.; TICIANELLI, E. A.; CAMARGO, J. C. Produção adjacente de hidrogênio em usinas hidroelétricas e sua utilização. NIPE 2001.

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