Estudo e dimensionamento de sistemas hibridos eólico-fotovoltaicos

Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro

ESTUDO E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS

HIBRIDOS EÓLICO-FOTOVOLTAICOS

Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica

Sandro José Pereira Castro

Orientador:

Amadeu Duarte da Silva Borges

UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

ESCOLA DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ESTUDO E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS HIBRIDOS

EÓLICO-FOTOVOLTAICOS

Sandro José Pereira Castro

Composição do júri:

Doutor José Manuel Alves Ribeiro

Doutor Luís Manuel Frölen Ribeiro

Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges

“Grandes mistérios habitam

O limiar do meu ser, O limiar onde hesitam Grandes pássaros que fitam Meu transpor tardo de os ver.

São aves cheias de abismo, Como nos sonhos as há. Hesito se sondo e cismo, E à minha alma é cataclismo O limiar onde está.

Então desperto do sonho E sou alegre da luz Inda que em dia tristonho; Porque o limiar é medonho E todo passo é uma cruz.”

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Agradecimentos

Agradeço em primeiro lugar à minha mãe pelo seu esforço para me permitir a conclusão desta tão importante e risonha etapa da minha vida, tal como pelas suas palavras de conforto, carinho e apoio. Se hoje escrevo estas linhas, devo-o a ela.

Agradeço à minha família, pelo seu apoio e palavras de incentivo incondicionais.

Agradeço ao meu orientador, Professor Doutor Amadeu Duarte da Silva Borges, pelas suas valiosas indicações, sugestões, críticas e correções que contribuíram ao desenvolvimento e conclusão deste trabalho.

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Resumo

Com o aumento do consumo de energia, associado aos malefícios provocados pelos recursos fósseis, surge a necessidade de apostar em sistemas que utilizem fontes renováveis. A dissertação presente demonstra o dimensionamento de sistemas eólicos, fotovoltaicos ou híbridos eólico-fotovoltaicos, permitindo a seleção de distintos componentes.

Para atingir esse objetivo, foi criado um modelo de simulação computacional em linguagem C#, capaz de quantificar a energia produzida pelos distintos sistemas permitindo que a energia produzida seja utilizada para autoconsumo ou interligação à rede. O modelo permitirá a realização de uma avaliação económica, apresentando valores para o payback, VAL e TIR, e uma avaliação ambiental, comparando a quantidade de CO2 e resíduos radioativos que seriam emitidos se a energia fosse produzida por fontes

convencionais. O dimensionamento dos sistemas variará de acordo com as características do local (radiação solar incidente, perfil de velocidade do vento e a rugosidade do solo) e com as definições do utilizador, já que lhe será oferecido distintas opções para seleção de módulos fotovoltaicos, de aerogeradores, de baterias, de controladores de carga e de inversores, para além das simulações em função de perfis de consumo.

Como prova da funcionalidade e validade do modelo computacional, foram dimensionados três casos distintos, utilizando todos os sistemas que o modelo apresenta, para verificar em que condições um sistema apresenta melhores resultados sobre outro.

O primeiro caso trata-se de uma habitação isolada no concelho de Vila Real, onde o sistema mais indicado foi o híbrido, obtendo valores económicos interessantes uma vez que um capital de 6376€, seria recuperado em aproximadamente 5 anos, e gera uma VAL próxima de 5000€. A segunda situação, localizada em Valença, trata-se de geração de energia para venda total à rede, sendo o sistema fotovoltaico mais indicado, apresentando um investimento aproximado de 6800€, recuperado em 12 anos, gerando uma VAL negativa de 1565€. O último caso, situado em Fafe, onde é pretendido consumir a energia produzida e vender o excedente, através de um investimento de 4150€ num sistema hibrido, o capital é recuperado em quase 8 anos e gera uma VAL de 600€.

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Abstract

With the increase of energy consumption, associated to the damage caused by fossil resources, comes the need to invest in systems that use renewable sources. This thesis shows the sizing of wind, photovoltaic or wind-PV hybrid systems, allowing the selection of different components.

The dissertation aims at the development of a computer simulation model in C# language, capable of quantifying the energy produced by the diferent systems, allowing the energy produced is used for own consumption or connected to the grid. The model will allow economic evaluation, with values for payback, NPW and IRR, and environmental evaluation, comparing the amount of CO2 and radioactive waste that

would be issued if the energy were produced by conventional sources. The dimensioning of the systems will vary under local characteristics (solar radiation, wind speed profile and ground roughness) and user settings, as it will be offer different options to select PV modules, wind turbines, batteries, charge controllers and inverters, in addition to simulations dependent on consumption profiles.

As proof of the functionality and validity of the computer model, three separate cases were sized using all systems that the model presents to verify the conditions under which a system performs better over another.

The first case is an isolated house in Vila Real municipality, where the hybrid system was the most appropriate, since an investment of 6376 € would be recovered in about 5 years, and generates an NPW of 5000 €. The second situation, located in Valencia, it is about selling energy to the grid where the most suitable system is the PV, demonstrating that with an investment of approximately 6800 €, recovered in 12 years, it generated a negative NPW 1565 €. The last case, located in Fafe, is intended to consume the energy produced and sell the excess. Through an investment of 4150€ in a hybrid system, the capital is recovered in almost 8 years and generates an NPW of 600€.

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Índice

2.4.Situação atual de aproveitamento para produção de energia em Portugal... 9

2.5.Funcionamento de uma célula fotovoltaica ... 11

2.6.Tecnologias de células fotovoltaicas ... 13

2.6.1.Células monocristalinas ... 14

2.6.2.Células policristalinas ... 14

2.6.3.Células amorfas ... 15

2.6.4.Células de película fina ... 16

2.6.5.Novas células solares ... 17

2.6.6.Estado atual das diferentes tecnologias ... 18

2.7.Fatores que influenciam o rendimento do painel fotovoltaico... 19

2.7.1.Efeito da radiação ... 19

2.7.2.Efeito da temperatura ... 20

3.1.Situação atual de aproveitamento para produção de energia em Portugal... 23

3.2.Origem do vento ... 26

3.3.Velocidade do vento ... 28

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3.5.Lei de Prandtl ... 32

3.6.Distribuição de Weibull ... 33

3.7.Teoria de Betz ... 34

4.1.Sistemas ligados à rede e autónomos ... 38

4.2.Constituintes e modelo de funcionamento ... 40

4.2.1.Baterias ... 42

4.2.2.Reguladores de carga ... 43

4.2.3.Inversores ... 44

4.4.Dimensionamento de sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos ... 45

4.4.1.Avaliação da viabilidade técnica atendendo ao recurso solar/eólico disponível no local……….46

4.4.2.Avaliação das necessidades energéticas para alimentar as cargas ... 46

4.4.3.Desenvolvimento conceptual do sistema ... 47

4.4.4.Avaliação dos recursos ... 47

4.4.5.Dimensionamento dos principais componentes do sistema ... 48

4.4.5.1.Modelo matemático para dimensionamento do sistema fotovoltaico ... 48

4.4.5.2.Modelo matemático para dimensionamento do sistema eólico ... 52

4.4.5.3.Determinação do número de baterias ... 53

4.4.5.4.Seleção do controlador de carga ... 54

4.4.5.5.Determinação do número de inversores ... 55

4.4.6.Avaliação final energética da viabilidade do sistema ... 55

4.4.7.Avaliação económica do sistema ... 56

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5.1.SHEF………..61

5.1.1.Definição do local e avaliação dos recursos energéticos ... 63

5.1.2.Definição das necessidades energéticas ... 65

5.1.3.Seleção do sistema fotovoltaico ... 67

5.1.4.Seleção do sistema eólico ... 68

5.1.5.Seleção dos componentes ... 71

5.1.6.Avaliação energética do sistema ... 76

5.1.7.Avaliação económica do sistema ... 77

5.1.8.Avaliação ambiental do sistema ... 79

6.1.Habitação em Vila Real ... 81

6.2.Quinta em Valença ... 99

6.3.Habitação em Fafe ... 110

6.4.Comparação entre os casos de estudo ... 120

7.1.Conclusão ... 123

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Índice de Figuras

Figura 2.1-Componentes constituintes da radiação solar ... 7

Figura 2.2 (a) e (b)-Orbita da Terra em torno do Sol com o eixo N-S inclinado num angulo de 23.45º, indicando as estações do ano pelo hemisfério Sul [Adaptado de: Pinho et al, 2014] ... 9

Figura 2.3-Potência instalada de para aproveitamento da energia solar fotovoltaica ... 10

Figura 2.4-Energia elétrica produzida anualmente por aproveitamento energia solar fotovoltaica [Fonte: DGEG, 2015] ... 11

Figura 2.5-Processo hierarquizado de agrupamento: célula, módulo, painel fotovoltaico [Adaptado de: ALTENER, 2004] ... 12

Figura 2.6-Princípio de funcionamento de uma célula fotovoltaica (efeito fotovoltaico) [Adaptado de: ALTENER, 2004] ... 13

Figura 2.7-Células Siemens monocristalinas: a) Célula quadrada; b)Célula semi-quadrada; c) Célula redonda [Fonte: ALTENER, 2004] ... 14

Figura 2.8-Célula policristalinas [Fonte: ALTENER, 2004] ... 15

Figura 2.9- Módulo amorfo [Fonte: ALTENER, 2004] ... 16

Figura 2.10-Células de película fina Módulo amorfo Célula policristalinas [Fonte: ALTENER, 2004] .. 17

Figura 2.11-Efeito causado pela variação de intensidade luminosa da luz na curva corrente-tensão para um módulo fotovoltaico [Fonte: Pinho et al, 2014] ... 19

Figura 2.12-Efeito causado pela temperatura na célula na curva característica corrente-tensão (para 1000W/m2_{) num módulo fotovoltaico de silício cristalino ... 20}

Figura 3.1-Moinhos de vento: a) Moinho de vento Persa; b) Moinho de vento com vela; c) Moinho de poste ... 21

Figura 3. 2-Moinhos de vento: a) Moinho de vento holandês; b) Turbina eólica americana ... 22

Figura 3.3-Parques eólicos existentes em Portugal continental [Fonte: ENEOP] ... 24

Figura 3.4-Potência instalada de para aproveitamento da energia Eólica ... 25

Figura 3.5-Energia elétrica produzida anualmente por aproveitamento eólico ... 25

Figura 3.6-Circulação global do vento ... 27

Figura 3.7-Anemómetro: a) Analógico; b) Digital ... 29

Figura 4.1- Sistema Hibrido Eólico-Fotovoltaico ... 37

Figura 4.2- Sistema “on-grid” numa habitação ... 38

Figura 4.3-Sistema de bombagem de água "off-grid" ... 39

Figura 4.4-Constituição de um sistema hibrido eólico-fotovoltaico ... 41

Figura 4.5-Tipos de baterias: a)Baterias de Chumbo-Ácido; b)Bateias de Gel; c)Baterias AGM ... 42

Figura 4.6-SilentWind HYBRID 1000 12/24V [Fonte:livre.pt] ... 44

Figura 4.7-Inversor Windmaster 500 [Fonte:livre.pt] ... 45

Figura 5.1-Fluxograma do programa SHEF ... 62

Figura 5.2-SHEF: Definição do local de implementação ... 63

Figura 5.3-SHEF- Irradiação média mensal para a localidade definida ... 64

Figura 5.4-Velocidade média mensal para a localidade definida ... 64

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Figura 5.6-SHEF: Necessidades energéticas por mensais ... 66

Figura 5.7-SHEF: Necessidades energéticas diárias... 66

Figura 5.8-SHEF: Sistema fotovoltaico ... 67

Figura 5.9-SHEF: Energia produzida pelo Sistema fotovoltaico ... 68

Figura 5.10-SHEF: Sistema eólico ... 69

Figura 5.11-SHEF: Energia produzida pelo Sistema eólico ... 69

Figura 5.12-SHEF: Outras opções do Sistema eólico ... 70

Figura 5.13-SHEF: Componentes- Baterias ... 71

Figura 5.14-SHEF: Componentes-Baterias II ... 72

Figura 5.15-SHEF: Componentes- Regulador de carga corretamente dimensionado ... 73

Figura 5.16-SHEF: Componentes-Regulador de carga subdimensionado ... 74

Figura 5.17-SHEF: Componentes-Inversor ... 75

Figura 5.18-SHEF: Avaliação Energética Reprovada ... 76

Figura 5.19-SHEF: Avaliação Energética Aprovada ... 77

Figura 5.20-SHEF: Avaliação económica ... 78

Figura 5.21-SHEF: Avaliação ambiental ... 79

Figura 6.1-SHEF: Seleção da localidade e do sistema para o caso de estudo 1 ... 82

Figura 6.2-SHEF: Recursos disponíveis em Vila Real ... 82

Figura 6.3-SHEF: Quantificação das necessidades energéticas para o caso de estudo 1... 83

Figura 6.4-SHEF: Definição do Sistema fotovoltaico (Caso 1: Sistema fotovoltaico) ... 84

Figura 6.5-SHEF: Energia produzida pelo sistema fotovoltaico (Caso 1) ... 85

Figura 6.6-SHEF: Componentes-Baterias (Caso 1: Sistema fotovoltaico) ... 85

Figura 6.7-SHEF: Componentes-Regulador de Carga (Caso 1: Sistema fotovoltaico) ... 86

Figura 5.8-SHEF: Componentes-Inversor (Caso 1: Sistema fotovoltaico) ... 87

Figura 6.9-SHEF: Análise energética (Caso 1: Sistema fotovoltaico)... 88

Figura 6.10-SHEF: Análise económica (Caso 1: Sistema fotovoltaico) ... 89

Figura 6.11-SHEF: Análise ambiental (Caso 1: Sistema fotovoltaico) ... 90

Figura 6.12-SHEF: Definição do sistema eólico (Caso 1: Sistema eólico) ... 91

Figura 6.13-SHEF: Energia produzida pelo sistema eólico (Caso 1) ... 91

Figura 6.14-SHEF: Componentes-Regulador de carga (Caso 1: Sistema eólico) ... 92

Figura 6.15-SHEF: Componentes-Inversor (Caso 1: Sistema eólico) ... 93

Figura 6.16-SHEF: Análise Económica (Caso 1: Sistema eólico)... 94

Figura 6.17-SHEF: Energia produzida pela componente fotovoltaica (Caso 1: Sistema hibrido)... 95

Figura 6.18-SHEF: Energia produzida pela componente eólica (Caso 1: Sistema hibrido) ... 95

Figura 6.19-SHEF: Análise energética (Caso 1: Sistema hibrido) ... 96

Figura 6.20-SHEF: Análise económica (Caso 1: Sistema hibrido) ... 97

Figura 6.21- SHEF: Seleção da localidade e do sistema para o caso de estudo 2 ... 99

Figura 6.22-SHEF: Recursos disponíveis em Valença ... 100

Figura 6.23-SHEF- Quantificação das necessidades energéticas para o caso de estudo 2 ... 100

xii

Figura 6.25-SHEF: Energia produzida pelo Sistema fotovoltaico (Caso 2) ... 102

Figura 6.26-SHEF: Componentes-Inversor (Caso 2: Sistema fotovoltaico) ... 102

Figura 6.27-SHEF: Avaliação económica (Caso 2: Sistema fotovoltaico) ... 103

Figura 6.28-SHEF: Definição do Sistema eólico (Caso 2) ... 104

Figura 6.29-SHEF: Energia produzida pelo Sistema eólico (Caso 2)... 105

Figura 6.30-SHEF:Componentes-Inversor (Caso 2: Sistema eólico) ... 105

Figura 6.31-SHEF: Avaliação económica (Caso 2:Sistema eólico) ... 106

Figura 6.32-SHEF: Energia produzida pela componente fotovoltaica (Caso 2: Sistema hibrido)... 107

Figura 6.33-SHEF: Energia produzida pela componente eólica (Caso 2: Sistema hibrido) ... 107

Figura 6.34-SHEF: Análise económica (Caso 2: Sistema hibrido) ... 108

Figura 6.35-SHEF: Recursos disponíveis em Fafe ... 110

Figura 6.36-SHEF: Quantificação das necessidades energéticas para o caso de estudo 2 ... 111

Figura 6.37-SHEF: Energia produzida pelo Sistema fotovoltaico (Caso 3) ... 112

Figura 6.38-SHEF: Avaliação económica (Caso 2: Sistema fotovoltaico) ... 113

Figura 6.39-SHEF: Definição do Sistema eólico (Caso 3) ... 114

Figura 6.40-SHEF: Análise energética (Caso 3: Sistema eólico) ... 115

Figura 6.41-SHEF: Análise económica (Caso 3: Sistema eólico) ... 116

Figura 6.42-SHEF: Energia produzida pela componente fotovoltaica (Caso 3: Sistema hibrido)... 117

Figura 6.43-SHEF: Energia produzida pela componente eólica (Caso 3: Sistema hibrido) ... 117

Figura 6.44-SHEF: Análise energética (Caso 3: Sistema hibrido) ... 118

Figura 6.45-SHEF: Análise económica (Caso 3: Sistema hibrido) ... 119

Índice de Tabelas

Tabela 3.1-Ventos dominantes devido à movimentação global [Fonte: Garcia,2004] ... 29

Tabela 3.2-Escala de Beaufort [Adaptado de: Borges et al, 2009a] ... 30

Tabela 3.3-Coeficiente da rugosidade para várias superfícies [Fonte: Borges et al, 2009a] ... 31

Tabela 6.1-Análise ao caso de estudo 1 ... 98

Tabela 6.2-Análise ao caso de estudo 2 ... 109

Tabela 6.3-Análise ao caso de estudo 3 ... 119

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Nomenclatura

𝜃 Ângulo de incidência da radiação -

𝜃𝑎 Temperatura ambiente ºC 𝜃𝑐 Temperatura da célula ºC 𝜎 Constante de Boltzman J/K a Taxa de atualização - 𝐶𝑏𝑎𝑡 Capacidade da bateria Ah 𝑐 Parâmetro de escala m/s

𝐷𝑏𝑎𝑡 Profundidade de descarga da bateria -

𝐸𝑒𝑜𝑙 Energia produzida pelo sistema fotovoltaico Wh

𝐸𝑓𝑜𝑡𝑜 Energia produzida pelo sistema eólico Wh

𝑓(ū) Função probabilidade de Weibull -

𝐺 Radiação incidente W/m2

H Irradiação J/m2

𝑖 Parâmetro de forma

-𝐼0 Corrente inversa de saturação A

𝐼0𝑟 Corrente inversa de saturação de referência A

xiv

𝐼𝑐𝑐 Corrente de curto-circuito de referência A

𝐼𝑚𝑎𝑥 Corrente máxima A

𝐼𝑚𝑎𝑥𝑟 Corrente máxima de referência A

𝑘 Coeficiente que depende da rugosidade do solo -

𝐾 Constante de Von Karman -

𝑚 Fator de idealidade -

𝑚′ Fator de idealidade equivalente -

𝑛 Ano de referência -

𝑁𝑂𝑇𝐶 Temperatura de normal funcionamento da célula ºC

𝑃𝑚á𝑥 Potência máxima W

𝑞 Carga elétrica do eletrão C 𝑆 Secção plana transversal do rotor da turbina m2

𝑆 Secção plana transversal do rotor da turbina m2

𝑆 Secção plana transversal do rotor da turbina m2

𝑆 Secção plana transversal do rotor da turbina m2

ū(𝑧) Velocidade média do vento à altura z m/s ū𝑚𝑎 Velocidade média do vento anual m/s

𝑢𝑟 Velocidade de média de vento para altura de referência m/s

𝑉𝑏𝑎𝑡 Tensão da bateria V

𝑉𝐶𝐶 Tensão de curto-circuito V

𝑉𝐶𝐶𝑟 Tensão de curto-circuito de referência V

𝑉𝑚𝑎𝑥 Tensão máxima V

𝑉𝑚𝑎𝑥𝑟 Tensão máxima de referência V

𝑉𝑇 Potencial térmico V

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𝑧0 Comprimento da rugosidade do solo m

𝑧 Altura m

𝑧𝑟 Altura de referência m

Abreviaturas

DGEG Direção Geral de Energia e Geologia NSM Número de células ligados em série RRRA Resíduos radioativos de alta atividade VAL Valor atual líquido

TIR Taxa interna de rentabilidade

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Introdução

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A humanidade desde o início da sua existência que consome recursos energéticos para a sua própria sobrevivência e desenvolvimento. Desde que atingiu a revolução industrial, em meados do século XVIII, o impacto provocado pelo consumo e procura de fontes de energia ganhou uma maior dimensão.

O aumento da população e as suas necessidades de energia acarretam consigo problemas ambientais que somente depois de algumas décadas de debate são considerados graves. Hoje em dia os recursos fósseis já começam a ser vistos como um problema e não tanto como uma solução. Os seus efeitos secundários como a poluição, as chuvas ácidas, o aquecimento global e por consequência a destruição da fauna e flora são algumas das consequências extremamente negativas para o nosso planeta e é vital uma adaptação e rápida consciencialização por parte do Homem que o futuro da produção energética terá de passar pelos recursos renováveis.

Com o intuito de reduzir a utilização de recursos fósseis, existem leis impostas pela União Europeia, onde se destaca a diretiva 2009/28/CE que possui o objetivo de em 2020 o consumo final de energia ser proveniente de recursos renováveis, e o Protocolo de Quioto, assinado por parte dos países que produzem 55% da totalidade das emissões de gases provocadores do efeito de estufa, em que se comprometem a reduzir a emissão destes ao longo dos anos. No caso português, a legislação provém das diretivas europeias, as quais as próprias leis nacionais complementam (UE, 2009).

Portugal apresenta-se como um dos territórios com maior potencial de aproveitamento de energias renováveis destacando-se a hídrica, das ondas e marés, solar e eólica, sendo as ultimas duas as abordadas ao longo desta dissertação.

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A energia eólica é vista como uma das mais promissoras fontes de energia renovável, já que possui uma tecnologia matura e bastante confiável. Existem inúmeros parques eólicos espalhados pelo mundo, onde se destacam países como a Alemanha, Dinamarca, Holanda, EUA e até Portugal com o parque eólico do Alto Minho.

A energia solar é outra energia renovável da qual se espera bastante e cujo potencial é ilimitado devido aos níveis de radiação que a Terra recebe do Sol diariamente. Na primeira década do século XXI, a energia fotovoltaica foi a que mais cresceu, aumentando anualmente a sua representação no mercado em cerca 35% (EPIA, 2008).

Em Portugal existe um potencial gigante para aproveitamento da energia solar fotovoltaica, uma vez que o país conta com mais de 2300 horas/ano de insolação na zona norte e 3000 horas/ano no Algarve (DGEG, 2015).

A forma de produzir energia utilizando as fontes alternativas é através de um novo conceito, designado por microgeração. Esta consiste em produzir energia elétrica através de instalações de pequena escala, trazendo consigo vantagens ao nível da redução de perdas na rede de distribuição e transporte, redução da dependência energética externa e permitindo a venda de energia por parte do consumidor, trazendo consigo ganhos económicos diretos. Com os devidos incentivos praticados pelo estado português, a integração de unidades de microgeração na rede elétrica é cada vez mais comum.

Em locais rurais, onde ainda não existe rede de distribuição de eletricidade, podem ser adotados sistemas isolados que são capazes de produzir eletricidade para consumo próprio. Este tipo de sistemas possui componentes além do painel fotovoltaico e/ou aerogerador, tal como baterias, responsáveis por armazenar energia para dias em que a produção não seja suficiente face ao consumo, reguladores de carga, capazes de proteger as baterias de sobrecargas e inversores, responsáveis pela conversão da corrente de alternada para contínua, ou vice-versa dependendo dos equipamentos responsáveis pelo consumo.

Uma combinação interessante foi adoção de modelos que combinam as duas fontes renováveis enunciadas: eólica e solar. Estes sistemas, designados por híbridos eólicos-fotovoltaicos, são uma solução interessante já que apresentam uma maior flexibilidade na configuração.

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Os sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos permitem um aproveitamento superior da porção de ambas as fontes sem com isso aumentar o excedente produzido, nem diminuir o sistema de armazenamento. Tudo isto se deve aos períodos desfasado que ambas fontes apresentam, sendo por esse motivo complementares mais confiáveis, uma vez que a possibilidade de ausência de vento coincidir com a do sol durante vários dias é bastante reduzida.

1.1. Objetivos e motivações

O estudo realizado nesta dissertação tem por objetivo:

 Apresentar o estado da arte dos sistemas fotovoltaicos e eólicos, com referência aos equipamentos constituintes de uma instalação genérica, de forma a que seja adequado para ser instalado num determinado local;

 Explicar os conceitos gerais envolvidos na relação do sistema de geometria Terra-Sol e na propagação de radiação solar;

 Explicar os conceitos relacionados com a origem do vento, velocidade do vento e de que parâmetros provocam a sua variação;

 Criação de um modelo capaz de simular o dimensionamento de sistemas eólicos, fotovoltaicos ou híbridos eólico-fotovoltaicos para habitações isoladas ou ligadas à rede, através da seleção de diferentes componentes. O modelo permitirá, após efetuado o dimensionamento, a determinação da viabilidade de projetos a nível energético, ambiental e económico;

 Estudar em que situações um sistema apresenta mais vantagens em relação a outro.

1.2. Estrutura da dissertação

A dissertação presente está organizada em 6 Capítulos onde se descrevem as distintas etapas que constituíram todo o trabalho desenvolvido em que este, de introdução, e o último onde se apresentam as conclusões.

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O segundo Capítulo destaca em primeiro lugar a energia solar e em particular a energia solar fotovoltaica. Numa fase inicial, são referidos conceitos relacionados com o estudo da radiação solar e para a metodologia desenvolvida, passando em seguida a dar enfase aos conceitos básicos relacionados com a energia fotovoltaica, dando particular atenção aos módulos solares.

No que diz respeito ao recurso eólico, apresentado no Capítulo 3, é explicada a origem do vento, como esta varia de acordo com determinados parâmetros e como é possível calcular a velocidade do vento em determinado local, tal como a potência máxima extraída.

O quarto Capítulo aborda assuntos relativos aos sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos, onde se define o conceito de modelo hibrido, tal como da distinção entre sistemas autónomos e ligados à rede. Neste Capítulo são explicados os constituintes de um sistema eólico/fotovoltaico/hibrido, passando pelo desenvolvimento do modelo matemático para o seu correto dimensionamento.

No Capitulo 5 é explicado o funcionamento do programa SHEF, demonstrando as suas diversas opções e explicando o processo de interação do utilizador com este.

Os casos de estudo, expostos no Capítulo 6, referem-se a eventos criados para comprovar a funcionalidade do programa de simulação.

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Recurso Energético Solar

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A energia solar apresenta diversas vantagens relativamente às energias ditas fósseis destacando-se quando o tema é a saúde ambiental. A energia proveniente do Sol é a mais abundante no planeta Terra e, se bem desenvolvida, poderá satisfazer todas as necessidades energéticas que a humanidade requer.

Segundo a EPIA, Associação Europeia para a Indústria Fotovoltaica, calculou que o consumo de eletricidade na Europa inteira poderia ser satisfeito com 0,34% da massa terrestre europeia coberta com módulos fotovoltaicos, resultando numa área equivalente à Holanda.

A energia solar pode ser dividida em térmica e fotovoltaica. Os sistemas solares com funcionamento a energia térmica são utilizados para aquecimento de águas sanitárias, enquanto que os fotovoltaicos têm a função de produzir eletricidade.

A energia solar fotovoltaica consiste na transformação da energia proveniente do Sol em energia elétrica. A produção de eletricidade a partir da energia solar surgiu pela primeira vez em meados de 1839, por Edmond Becquerel, ao relatar as propriedades do Selénio que produzia uma corrente elétrica diretamente proporcional à radiação incidente. Contudo, somente em meados de 1960 se tornou um caso sério, devido à guerra fria, já que a energia solar fotovoltaica era capaz de colmatar as necessidades energéticas das missões aeroespaciais, tal como da manutenção de satélites.

Por volta dos anos 80, a tecnologia fotovoltaica terrestre progrediu regularmente e foi utilizada pelos consumidores em alguns produtos de baixa potencia como relógios, iluminação de jardim ou calculadoras. (Pinho et al, 2014).

A aposta nesta energia permitiu novos desenvolvimentos e a melhoria nos métodos de fabrico e aumentou a produção dos módulos solares levando a que nos dias de hoje, a energia

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solar fotovoltaica seja uma ferramenta indispensável quando se fala em produção de energia e acarreta consigo a responsabilidade e esperança de muitas pessoas para um mundo mais limpo.

No que respeita aos sistemas solares, estes têm uma vida típica de 25 anos, garantindo que cada painel gera muita mais energia do que a que foi gasta na sua produção, podendo estes no final da sua vida serem reciclados. Apresentam ainda outras vantagens ao nível da facilidade de instalação e os baixos requisitos de manutenção, assim como a possibilidade de serem incorporados na arquitetura do edifício para diminuir o impacto visual, aproveitando o espaço disponível (EPIA, 2011).

2.1. Radiação Solar

O Sol emite radiações eletromagnéticas em todas as direções no espaço, sendo que devido ao afastamento da Terra, estas chegam quase uniformemente e com os raios paralelos, de tal modo que é denominada uma constante solar – GCS. Esta constante descreve a energia

proveniente do Sol por unidade de tempo, recebida numa unidade de área de superfície perpendicular à direção da propagação da radiação, para a média distância Terra-Sol e no exterior da atmosfera terrestre.

A energia proveniente do Sol não chega na sua totalidade à atmosfera terrestre uma vez que existem fatores que ocorrem devido à interação com elementos já existentes, como por exemplo as nuvens que refletem a radiação, o ozono, oxigénio ou vapor de água que a absorvem e ainda as gotículas de água e poeira em suspensão que provocam a dispersão. Como resultado deste conjunto de fenómenos, existe uma decomposição da radiação solar incidente no solo terrestre, tal como se verifica na Figura 2.1.

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As definições dos constituintes da radiação solar passam por:

 Radiação direta: é a radiação proveniente do Sol sem que esta seja dispersa na atmosfera.

 Radiação difusa: é a radiação proveniente do Sol após a sua direção ter sido alterada devido a dispersões na atmosfera.

 Radiação albedo: é a radiação solar proveniente do Sol após ter sido refletida no solo terrestre. A quantidade de radiação albedo é fortemente afetada pela natureza do solo.  Radiação Solar Total: é a radiação solar proveniente do Sol que chega a uma superfície

a partir da soma de todas as radiações (direta, difusa e albedo).

 Radiação incidente (W/m2_{): equivale à potência incidente por unidade de área, sendo}

utilizado símbolo G para a descrever.

 Irradiação (J/m2_{): equivale à energia incidente por unidade de área e obtém-se a partir}

da integração da radiação incidente num específico período de tempo. O símbolo H equivale à irradiação diária.

Figura 2.1-Componentes constituintes da radiação solar [Adaptado de: ALTENER, 2004]

___________________________________________________________________________ 8

(2.1.) Após ultrapassar todos estes fenómenos, a quantidade de energia proveniente do Sol que atinge a superfície da Terra corresponde a cerca de dez mil vezes a procura de energia, com um valor aproximado de 1367 W/m2 (ALTENER, 2004).

2.2. Geometria Solar

O Sol possui uma dimensão enorme, em que o raio tem o valor próximo a 6,96×106_km,

e localiza-se a uma distância média da Terra correspondente a 1,5×108_{km. A massa do Sol é}

de cerca de 1,99×1030_{kg e a sua constituição é principalmente formada por hidrogénio,}

oxigénio, carbono, azoto, néon, ferro, silício, magnésio, enxofre e cálcio, sendo que o hidrogénio constitui cerca d 90% da massa do Sol.

A fonte de energia solar surge devido à fusão termonuclear de átomos de hidrogénio em hélio, causando uma redução da massa do Sol. Para quantificar a energia recebida na superfície terrestre, é necessário ter em conta a geometria Sol-Terra, sendo esta definida pela inclinação da superfície, a declinação solar, a latitude do local, o angulo azimutal e o ângulo horário, tal como se verifica na Figura 2.3.

Para determinar o ângulo de incidência de radiação solar num plano pode ser obtido através da Equação 2.1 (Pinho et al, 2014).

𝑐𝑜𝑠 𝜃 = 𝑠𝑒𝑛𝛿 𝑠𝑒𝑛𝜙 𝑐𝑜𝑠𝛽 − 𝑠𝑒𝑛𝛿 𝑐𝑜𝑠𝜙 𝑠𝑒𝑛𝑠𝛽 𝑐𝑜𝑠 𝛾 + 𝑐𝑜𝑠𝛿 𝑐𝑜𝑠𝜙 𝑐𝑜𝑠𝛽 𝑐𝑜𝑠𝜔 + 𝑐𝑜𝑠𝛿 𝑠𝑒𝑛𝜙 𝑠𝑒𝑛𝛽 𝑐𝑜𝑠 𝛾 𝑐𝑜𝑠𝜔 + 𝑐𝑜𝑠 𝛿 𝑠𝑒𝑛𝛽 𝑠𝑒𝑛𝛾 𝑠𝑒𝑛 𝜔

em que β é a inclinação da superfície, γ é o ângulo azimutal da superfície solar, δ é a declinação solar, 𝜙 é a latitude do local e ω é o ângulo horário.

Outro fator crucial a ter em conta é o movimento da translação da Terra em torno do Sol, esquematizado na Figura 2.2. Por análise da mesma, verifica-se a existência do solstício de Verão e Inverno, cuja duração do dia é máxima e mínima respetivamente, e os equinócios de Primavera e Outono, com igual duração entre o dia e noite.

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2.4. Situação atual de aproveitamento para produção de energia em Portugal

Portugal não é um país que possua combustíveis de origem possível, pelo que é extremamente dependente de importações. Isto criar uma vulnerabilidade excessiva à volatilidade dos mercados energéticos internacionais. Por outra vertente, Portugal tem recursos energéticos renováveis invejáveis, nomeadamente os casos da energia eólica e solar.

A legislação europeia, associada à legislação nacional, estabelece medidas concretas para que o aproveitamento e investimento na energia proveniente de fontes renováveis seja posto em prática. Segundo a Associação Portuguesa de Energias Renováveis (APREN), existe um projeto europeu, designado por REPAP2020, que tem como objetivo que cerca de 20% do consumo final de energia em 2020 seja proveniente de fontes de energia renováveis, sendo ainda mais ambicioso no caso português que possui uma meta obrigatória de 31% para a mesma data (APREN, 2015).

Como resposta aos objetivos propostos, foram criados alguns programas de apoio governamentais para o aproveitamento dos recursos enérgicos renováveis, como é o caso das “Renováveis na hora” que incentiva a aposta na microgeração.

Figura 2.2 (a) e (b)-Orbita da Terra em torno do Sol com o eixo N-S inclinado num angulo de 23.45º, indicando as estações do ano pelo hemisfério Sul

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Já existem em Portugal alguns parques fotovoltaicos nomeadamente a Central Fotovoltaica Hércules, localizada no concelho de Serpa, que possuí cerca de 52 mil painéis fotovoltaicos, com uma potência instalada de 11 MWq, que fornecem energia elétrica a 8000 habitações, Central Solar Fotovoltaica da Amareleja, situada no concelho de Moura, abastecendo 30 mil habitações já que possui 2520 seguidores solares azimutais com 104 painéis cada um. Ainda foram criadas em 2010 uma central em Almodôvar com 6,3 MW de potência, e Mértola com 1,3 MW e em Ferreira do Alentejo com 1MW de potência. Foram também instalados 670 kW em investimentos, em escolas e instituições.

Até 31 de Dezembro de 2010, foram instalados no âmbito do regime de microgeração 9191 sistemas com uma potência limite de 3,5 kW. De toda esta potência instalada 31,9 MW são fotovoltaicos, sendo que 19 MW fotovoltaicos começaram a funcionar em 2010, que foi o ano em que realmente se apostou no fotovoltaico.

A Direção Geral de Energia e Geologia (DGEG) oferece dados reveladores referentes à evolução da energia fotovoltaica em Portugal. O Figura 2.3 revela a evolução da potência instalada em Portugal entre 2006 e 2015, enquanto que a Figura 2.4 demonstra quanta energia elétrica é produzida por essa mesma potência.

Por análise da Figura 2.3, verifica-se o que já anteriormente foi dito, a cada ano que passa existe um maior investimento nesta área. Averigua-se com base nos dados da DGEG, que no espaço de 9 anos, a potência instalada de energia fotovoltaica que aumentou cerca de 145 vezes, passando de um valor de 3 MW para aproximadamente 440 MW.

Figura 2.3-Potência instalada de para aproveitamento da energia solar fotovoltaica [Fonte: DGEG, 2015] 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 MW Anos

___________________________________________________________________________ 11

A Figura 2.4, relativa à energia elétrica produzida por fonte solar, demonstra a relação linearmente dependente existente entre a potência instalada e a energia produzida. Para a potência instalada atual de 440MW, é produzido aproximadamente 750 GWh por ano de energia elétrica.

2.5. Funcionamento de uma célula fotovoltaica

A função de uma célula fotovoltaica consiste na transformação da energia proveniente do Sol em eletricidade. Cada célula é capaz de produzir entre 1 e 3 Watt e como uma tensão menor do que 1 Volt, sendo que para disponibilizar potências mais elevadas as células são agrupadas em módulos. A Figura 2.5 demonstra como é organizado o processo herarquico de agrupamento de um painel fotovoltaico.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 G Wh Anos

Figura 2.4-Energia elétrica produzida anualmente por aproveitamento energia solar fotovoltaica [Fonte: DGEG, 2015]

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A constituição das células fotovoltaicas tem por base um material semicondutor, como o silício, arseneto de gálio, telureto de cádmio ou disseleneto de cobre e índio. Atualmente aproximadamente 95% de todas as células solares do mundo são de silício.

A célula fotovoltaica de silício cristalino é formada por duas camadas de silício dopadas distintamente. A camada orientada para o Sol está dopada negativamente com fósforo (região tipo n) e a camada inferior está dopada positivamente com boro (região tipo p). Desta forma é produzido um campo elétrico na junção das duas camadas que leva a que as cargas sejam libertadas pela radiação solar. Com ligações elétricas à célula fotovoltaica é produzida eletricidade.

Ao juntar as camadas n e p dos semicondutores impuros forma-se uma região de transição denominada junção p-n, onde é criado um campo elétrico que separa os portadores de carga que a atingem. Quando uma célula solar é exposta à luz, os fotões são absorvidos pelos eletrões. Assim, quando o fotão contém energia suficiente a ligação entre os eletrões é quebrada

Figura 2.5-Processo hierarquizado de agrupamento: célula, módulo, painel fotovoltaico [Adaptado de: ALTENER, 2004]

Célula

Módulo

___________________________________________________________________________ 13

e estes movem-se para a banda de condução e são conduzidos através do campo elétrico para a camada n. As lacunas criadas seguem para a camada p (ALTENER, 2004;Pinho et al, 2014).

Pela Figura 2.6verifica-se que a corrente elétrica irá circular quando o circuito exterior é fechado por uma carga.

2.6. Tecnologias de células fotovoltaicas

A classificação das células solares fotovoltaicas é definida de acordo com o material utilizado no seu fabrico, podendo variar entre células monocristalinas, policristalinas e amorfas. Associada a esta classificação, através de desenvolvimentos surgiu uma nova tecnologia denominada por células de película fina.

Figura 2.6-Princípio de funcionamento de uma célula fotovoltaica (efeito fotovoltaico) [Adaptado de: ALTENER, 2004]

Legenda: 1 – Separação da carga; 2 – Recombinação; 3 – Energia do fotão não utilizada (por exemplo

na transmissão); 4 – Reflexão e sombreamento

1 1 1 3 2 4

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2.6.1. Células monocristalinas

Cerca de 60% do mercado existente de painéis fotovoltaicos têm na sua composição o silício monocristalino. Devido à sua uniformidade da estrutura molecular resultante da utilização de um cristal único é ideal para potenciar o efeito fotovoltaico

A sua produção pode ser com forma redonda, semiquadradas ou quadradas, dependendo da quantidade que é estriada do cristal único. O preço varia entre a forma tal como o seu destino. Por exemplo, as peças quadradas são mais baratas devido à perda de menos material durante a sua produção mas para condições especiais, tal como em sistemas de integração de edifícios, devido à necessidade de alguma transparência, as células redondas poderão ser a melhor alternativa (ALTENER, 2004).

Apesar de tudo, as células monocristalinas (Figura 2.7) apresentam o inconveniente de possuírem um preço elevado.

2.6.2. Células policristalinas

Abrangendo cerca de 30% do mercado surge o silício policristalino. A sua constituição tem por base inúmeros pequenos cristais com espessura semelhante a um cabelo humano.

Durante a fundição do bloco, são formados cristais com várias orientações. Devido a esta descontinuidade, os eletrões têm dificuldade em mover-se e estimulam a recombinação com as lacunas, diminuindo a potência de saída. O processo de fabricação é mais barato do que

Figura 2.7-Células Siemens monocristalinas: a) Célula quadrada; b)Célula semi-quadrada; c) Célula redonda

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o do silício monocristalino (ALTENER, 2004). A Figura 2.8 representa uma célula policristalina.

2.6.3. Células amorfas

As células amorfas (sem forma), demonstradas pela Figura 2.9, não formam uma estrutura regular de cristal, mas uma rede irregular. São compostas por um suporte de vidro ou de outra matéria sintética, na qual é deposta uma camada fina de silício.

Este tipo de células é utilizado em produtos de consumo, nomeadamente relógios ou calculadoras mas podem ser também utilizadas em instalações solares. No entanto, o rendimento das células amorfas é reduzido mas apresenta uma corrente produzida razoável. Apresentam ainda uma vantagem em relação às tecnologias anteriores, já que como reagem melhor à luz difusa e à luz fluorescente, têm melhores desempenhos a temperaturas elevadas. (ALTENER, 2004)

Figura 2.8-Célula policristalinas [Fonte: ALTENER, 2004]

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2.6.4. Células de película fina

As células de película fina (Figura 2.10) apresentam-se como uma alternativa promissora ao silício. A sua forma celular é idêntica a longas estreitas fitas, provocando elevada resistência ao efeito de sombreamento. Tal facto pode ser melhor explicado com base num exemplo: enquanto que uma folha de árvore pode cobrir a totalidade da célula cristalina, no caso do módulo de película fina, a mesma folha cobrirá várias células simultaneamente, ficando apenas uma parte de cada uma destas células sombreada.

Associada a esta vantagem, as células de película fina possuem um aproveitamento superior dos baixos níveis de radiação e de radiações difusas do que as células cristalinas., levando a uma menor deterioração do desempenho para elevadas temperaturas

Esta tecnologia apresenta ainda custos mais reduzidos e seu formato não é restringido a tamanhos “standard”. No entanto, já que na interligação interna apenas podem ser ligadas em série células com tamanhos equivalentes, a área elétrica eficaz vem determinada pela maior área retangular possível dentro de uma forma assimétrica.

O nível estético desta tecnologia é interessante, sendo capacitada de diversas aplicações arquitetónicas, já que devido à utilização de tecnologias de películas finas permitir a passagem parcial de luz (ALTENER, 2004).

Figura 2.9- Módulo amorfo [Fonte: ALTENER, 2004]

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Figura 2.10-Células de película fina Módulo amorfo Célula policristalinas [Fonte: ALTENER, 2004]

2.6.5. Novas células solares

O tempo acarreta consigo novas evoluções tecnológicas. Existem variadas tecnologias ainda em fase de estudo e que prometem ser casos sérios no futuro, apresentando grandes eficiências e custos mais reduzidos.

Uma das esperanças das novas células solares são as tecnologias nanocristalinas sensitivizadas com colorantes. Devido á sua cor e transparência, podem revolucionar o futuro, tendo especial atenção à integração em edifícios.

Outros exemplos a ter em conta são as tecnologias microcristalinas, micromorfas, híbridas (células solares HCI) e, ainda o mais relevante mas para situações muito mais específicas, o arsénio de gálio. Este último exemplar apresenta rendimentos que podem chegar a 25%, mas tem custos de produção muito elevados, que só permitem o seu uso em satélites ou sistemas de concentradores (ALTENER, 2004).

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2.6.6. Estado atual das diferentes tecnologias

As células fotovoltaicas estão em constante evolução e os desenvolvimentos recentes têm sido notáveis. No entanto, a eficiência da conversão da energia por estas tecnologias ainda é baixa.

Comparando a eficiência dos distintos tipos de célula referidos acima, foi elaborada a Tabela 2.1.

Tabela 2.1-Máxima eficiência fotovoltaica [Fonte: ALTENER, 2004]

As células que utilizam o silício apresentam maior eficiência do que as restantes, com exceção á tecnologia que utiliza os semicondutores III-V. Tal facto é explicado pelo desenvolvimento da tecnologia ser mais maturo. No entanto, apresentam-se mais caras do que as restantes o que acaba por lhe retirar algum mercado.

Relativamente às novas tecnologias, estas apresentam testes em laboratório com boas eficiências, demonstrando ser uma boa possibilidade de serem uma opção viável quando atingirem a maturidade, que se estima ser daqui a cerca de 10 anos (ALTENER, 2004).

Material da célula solar

Eficiência máxima das células Laboratório Produção Produção

em série

Silício Monocristalino 24,7 18 14

Silício Policristalino 19,8 15 13

Silício Policristalino EFG 19,7 14 13

Silício cristalino de Película

Fina 19,2 9,5 7,9 Silício amorfo* 13 10,5 7,5 Silício Micromorfo * 12 10,7 9,1 Hibrido HCI 20,1 17,3 15,2 CIS, CIGS 18,8 14 10 Telureto de Cádmio 16 10 9 Semicondutor III-V 35,8 27,4 27

Célula sensitivizada com

corante 12 7 5

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2.7. Fatores que influenciam o rendimento do painel fotovoltaico

A eficiência dos módulos fotovoltaicos não é sempre constante. Há fatores que provocam a sua diminuição e que são necessários ter em conta, nomeadamente a radiação solar e a temperatura da célula. Sucintamente pode-se afirmar que os painéis solares aumentam a sua eficiência quando há também um aumento da radiação solar, funcionando de forma oposta com a temperatura, isto é, quando a temperatura sobe a eficiência dos painéis solares reduz.

2.7.1. Efeito da radiação

Pela observação da Figura 2.10, verifica-se que com o aumento da radiação incidente, a potência de saída da célula aumenta. Com o incremento da radiação incidente, a tensão em vazio varia de forma desprezável ao passo que a corrente em curto-circuito varia de forma linear (Borges, 2009).

Figura 2.11-Efeito causado pela variação de intensidade luminosa da luz na curva corrente-tensão para um módulo fotovoltaico

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2.7.2. Efeito da temperatura

A temperatura afeta a eficiência das células de forma considerável e é um parâmetro fundamental a ter em atenção. As células encontram-se expostas aos raios solares e como não são capazes de converter toda a radiação em energia elétrica, dissipam sob a forma de calor. Por tal motivo, o seu aquecimento das células é considerável e não equivalente à temperatura ambiente.

Com o incremento da temperatura das células a potência de saída da célula decresce, assim como a tensão em vazio. Já a corrente inversa de saturação pouco varia ao passo que assume-se a variação da corrente de curto-circuito desprezável.

Com a variação da temperatura, todos os outros elementos que levam à obtenção da potência máxima são alterados, variando por consequência a potência máxima extraída. Por análise da Figura 2.11, é verificado que a tensão em circuito aberto diminui com o aumento da temperatura, constatando-se também um ligeiro aumento da corrente de curto-circuito mas que é desprezável (Pinho et al, 2014; Borges, 2009).

Figura 2.12-Efeito causado pela temperatura na célula na curva característica corrente-tensão (para 1000W/m2_{) num módulo fotovoltaico de silício cristalino}

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Recurso Energético Eólico

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A primeira utilização da energia eólica remonta já a tempos antigos. Os primeiros dados obtidos revelam que a conversão da energia do vento em energia mecânica através da utilização de moinhos de vento foi utilizada no Médio Oriente em meados do século VII. Desde então, os moinhos de vento foram adotados por distintas civilizações, fazendo parte integrante da economia rural (Figura 3.1). A civilização persa, que no século X aplicou nas construções a utilização de eixos verticais para aplicar o princípio de arrasto da energia do vento.

No século XI, os holandeses utilizaram os moinhos para moagem de alimentos, alterando-os posteriormente para drenar as grandes planícies inundadas. A quando da colonização da América, no final do século XIX, os moinhos de vento foram levados para numa primeira fase bombear água para fazendas e ranchos e, em seguida, para produzir eletricidade (Heier, 2006). A Figura 3.2 demonstra os dois tipos de moinhos mencionados.

Figura 3.1-Moinhos de vento: a) Moinho de vento Persa; b) Moinho de vento com vela; c) Moinho de poste [Fonte: deutsches-museum.de]

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Nos países industrializados, a energia eólica acabou por ser abandonada e foi substituída por fontes de energia fóssil como o carvão, petróleo ou gás. Atualmente já não se vê a energia eólica com os mesmos olhos. Hoje já é tida em conta como uma fonte energética bastante promissora já que produz pouca ou nenhuma emissão de poluentes e pode ajudar a satisfazer a crescente necessidade energética mundial.

Provas desta crença no potencial da energia eólica, foi o aumento da utilização desta nos últimos anos. Em 1996 a capacidade instalada de energia eólica a nível mundial era de cerca de 6GW aumentando ao longo dos anos, atingindo um valor de 318 GW em 2013. É previsto o contínuo aumento e deverá atingir 596 GW em 2018 (GWEC, 2014).

Os principais países responsáveis por estas metas pertencem à União Europeia, onde se destacam a Alemanha, a Dinamarca, Holanda, o Reino Unido, a Espanha e Portugal, tal como nos Estados Unidos da América, já que possuem a tecnologia de conversão associada à energia eólica num estado de maturidade e desenvolvimento elevado. Por este motivo, já é capaz de rivalizar com a energia tradicional, dando dados que permitirão no futuro superá-la (Wall, 2006).

Em termos ambientais, a DGEG adianta ainda que, por cada MWh de energia elétrica cuja fonte é o vento, são reduzidas entre 0,8 a 0,9 toneladas de emissões de gases com efeito de

Figura 3. 2-Moinhos de vento: a) Moinho de vento holandês; b) Turbina eólica americana [Fonte: wind-works.org]

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estufa que seriam produzidos pela utilização dos combustíveis fósseis na produção de energia elétrica.

A energia eólica apresenta-se apenas alguns comentários críticos relativos ao impacte paisagístico dos parques eólicos, poluição sonora e possível morte de aves.

3.1. Situação atual de aproveitamento para produção de energia em Portugal

Portugal possui uma geografia que permite um aproveitamento energético do vento regular em zonas montanhosas. Associado a estes locais, Portugal ainda possui uma vasta costa onde a energia eólica offshore pode ser explorada, decorrendo até à data estudos para avaliação do seu potencial.

O investimento na contrução de centrais para produção de energia eólica, acarreta consigo criação de empregos e de riqueza local, provocando desenvolvimento rural e descentralização económica.

Os locais mais ventosos localizam-se sobretudo em zonas costeiras e no cume dos montes sendo que, conforme a Direção Geral da Energia e Geologia, os distritos de Viseu, Coimbra, Castelo Branco e Vila Real encontram-se entre os distritos de Portugal que mais energia eólica produzem (Castro, 2007).

A Figura 3.3 representa os parques eólicos existentes no país, assim como a potência instalada que cada um possui. Destaca-se dentre os demais, o parque eólico do Alto Minho, constituído por 120 aerogeradores e que contou com um investimento na ordem dos 360 milhões de euros, encontrando-se no 13º lugar entre os vinte maiores parques eólicos do planeta em 2010 (ENEOP, 2015).

___________________________________________________________________________ 24

A Figura 3.4 revela a evolução da potência instalada em Portugal entre 2006 e 2015, verificando-se para igual período a respetiva energia produzida traduzida pela Figura 3.5. (DGEG, 2015).

Figura 3.3-Parques eólicos existentes em Portugal continental

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A Figura 3.4 revela mais uma vez o investimento que Portugal tem feito nas energias renováveis. A potência instalada de energia eólica em 2006 rondava os 1700MW, valor que foi aumentando consideravelmente ano após ano, atingindo aproximadamente 5000 MW em 2014 e mantendo-se na data atual.

A Figura 3.5 demonstra a energia produzida por fonte eólica correspondente à potência instalada. Verifica-se que no presente ano foram produzidos cerca de 11500 GWh de energia elétrica, valor esse que é inferior em quase 700GWh em relação aos últimos dois anos.

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 GW h Anos 0 1000 2000 3000 4000 5000 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 MW Anos

Figura 3.4-Potência instalada de para aproveitamento da energia Eólica [Fonte: DGEG, 2015]

Figura 3.5-Energia elétrica produzida anualmente por aproveitamento eólico [Fonte: DGEG, 2015]

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Segundo a DGEG, em 2014 quase 60% da eletricidade foi gerada tendo como fontes de energia renováveis. Em grande parte, tal só foi possível devido ao progresso da energia eólica que representa atualmente o segundo lugar como fonte de energia renovável aproveitada para produção de energia. Em 2012, 22,2% da energia elétrica consumida foi produzida por fonte eólica, sendo a segunda maior quota entre os países da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico (OCDE), superado apenas pela Dinamarca (Eurostat, 2015). Isto provoca que haja uma menor dependência energética do exterior e, como não envolve combustíveis fósseis, não está sujeita às variações do mercado, tornando-se uma energia fiável e com custos fixos.

3.2. Origem do vento

É designado por vento o movimento do ar sobre a superfície terrestre que é resultado da radiação proveniente do Sol. Contudo a radiação que chega à superfície é diferenciada, distribuindo-se sobre o planeta de forma irregular.

O desnível da radiação sobre toda a face da Terra, faz com que o vento seja um recurso intermitente, sendo por isso difícil localizar o espaço que este circula, já que o padrão de vento é afetada por muitos fatores como a meteorologia, a humidade, as estações do ano, a concentração de poluentes na atmosfera, a extensão das manchas solares, a refletividade irregular de terra mas sobretudo a posição geográfica, a altura do Sol sobre o horizonte e a altura da região ponderada (Borges et al, 2009). A Figura 3.6 demonstra os sentidos diferentes que as massas de ar seguem.

___________________________________________________________________________ 27

A posição geográfica deve-se à não uniformidade da Terra que provoca o aquecimento seja diferenciado nas distintas zonas. Ao analisar o nosso planeta, verifica-se que as regiões do equador, localizam-se mais próximas do Sol, recebendo mais radiação e, consequentemente atingindo maiores temperaturas. Em lado oposto encontram-se as regiões polares que por estarem mais distanciadas são menos aquecidas, perdendo mais energia do que aquela que recebe, tornando-se em regiões frias. Por outra vertente, seja o solo, a água, as pedras ou árvores, todos os elementos da Terra possuem diferentes capacidades caloríficas, levando a que sejam aquecidos de forma distinta pela radiação solar, tal como acontece no seu processo de resfriamento.

A extensão da atmosfera que é atravessada pelos raios solares varia consoante a altura do Sol no horizonte. Quando o Sol está numa posição vertical em relação ao local de observação, a camada tem aproximadamente 100km de extensão. No entanto quando o Sol está numa posição horizontam em relação ao mesmo local, a extensão da atmosfera é de cerca de 1130km. Analisando a atmosfera, reconhece-se que as camadas inferiores são as mais densas resultando com que as regiões que possuem uma maior altitude recebam uma maior incidência solar.

Figura 3.6-Circulação global do vento [Fonte: Wall, 2006]

Ventos de Oeste Ventos de Este

___________________________________________________________________________ 28

Por consequência de todos fatores enunciados, são geradas correntes de convecção. O ar quente que se encontra principalmente nas regiões do equador tendem a subir, permutando com a massa de ar frio proveniente das regiões polares. Este movimento das massas de ar provocou a formação do vento.

Os ventos mais fortes e constantes encontram-se em alturas superiores a um quilómetro da superfície terrestre. No entanto, a tecnologia existente apenas permite a colocação de tecnologia a algumas dezenas de metros da superfície terrestre, sendo afetados pela rugosidade, pelo relevo e pelos obstáculos presentes nos locais de instalação dos mesmos. Os mesmos fatores que provocaram a formação do vento são responsáveis pela variação da intensidade e duração dos ventos (Wall, 2006).

3.3. Velocidade do vento

Pela origem do vento compreende-se que a velocidade deste será determinada pelas diferenças de temperatura, traduzidas em diferenças de pressões.

Na zona do Equador, isto é, na zona mais aquecida, é formada uma zona de baixa pressão que provoca com que o ar mais frio situado na faixa de latitudes de ±30º seja sugado, desviando-o para Oeste devido à força de Coriolis. Junto às latitudes de ±30º encontram-se as zonas subtropicais de altas pressões que contribuem à movimentação do ar para o Equador e para os polos.

Nas latitudes de ±60º localizam-se as zonas polares de baixas pressões e é neste ponto que a movimentação do ar até aos polos é invertida. A tabela 3.1 reflete as direções predominantes do vento para as diferentes faixas de latitudes (Borges et al, 2009a).

___________________________________________________________________________ 29

Tabela 3.1-Ventos dominantes devido à movimentação global [Fonte: Garcia,2004]

A velocidade do vento é influenciada por fatores térmicos, principalmente pelas iterações entre o mar-terra e planicie-montanha, e topográficos.

Para media esta medida existem instrumentos designados por anemómetros, que podem ser analógicos ou digitais, diferenciados pela forma como indicam esta grandeza. Os anemómetros analógicos indicam a velocidade do vento através da posição de um ponteiro sobre uma escala graduada, enquanto que os digitais apresentam a leitora no monitor tal como se verifica na Figura 3.7 (Garcia, 2004).

Latitude Direção 90º-60ºS SE 60º-30ºS NO 30ºS-0º SE 0º-30ºN NE 30º-60ºN SO 60º-90ºN NE

Figura 3.7-Anemómetro: a) Analógico; b) Digital [Fonte: impact.com]

___________________________________________________________________________ 30

Caso não se disponha de anemómetros, é possível estimar a velocidade dos através da escala Beaufort, descrita na Tabela 3.2, que classifica os ventos de acordo com o comportamento que este obriga os objetos e corpos a adotar.

Tabela 3.2-Escala de Beaufort [Adaptado de: Borges et al, 2009a]

Escala Descrição Velocidade

(km/h)

Efeitos observados

0 Calma 0 O fumo sobe na vertical

1 Aragem 0-5 A direção do vento é indicada pelo fumo mas não pelo cata-vento; a superfície do mar é

como um espelho

2 Vento Fraco 6-11 Sente-se o vento no rosto; as folhas agitam-se; o cata-vento move-se

3 Vento bonançoso

12-19 Folhas e pequenos ramos agitam-se; bandeiras ondulam

4 Vento moderado 20-29 Levanta poeira: os troncos pequenos agitam-se 5 Vento fresco 30-39 As árvores pequenas abanam; pequenas cristas

de ondulação nos lagos. 6 Vento muito

fresco

40-50 Os troncos grossos abanam; o vento assobia nos fios de telefone; ondas moderadas a

grandes no oceano. 7 Vento forte 51-61 As árvores inteiras abanam. 8 Vento muito

forte

62-74 Arranca ramos pequenos das árvores. 9 Vento

tempestuoso

75-87 Ligeiros danos na estrutura das casas; ondas altas no oceano, com espuma e neblina

abundantes

10 Temporal 88-100 Árvores arrancadas; danos consideráveis nas estruturas das casas

11 Temporal desfeito

101-116 Danos generalizados 12 Furacão >118 Estragos graves e generalizados em

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3.4. Influência da rugosidade

Os equipamentos eólicos atuais são capazes de produzir energia com ventos até uma altura aproximada de 60 metros acima do nível do solo. Devido a estas baixas altitudes, existem fatores que afetam a velocidade do vento como a topografia.

As características apresentadas pelo relevo contribuem fundamentalmente para a diminuição da movimentação do ar na baixa altura. Quanto maior for a complexidade da superfície e altura dos seus constituintes, maior será o entrave ao escoamento do ar já que existirá um maior número de obstáculos.

Devido ao relevo, o perfil da velocidade do vento não se apresenta como uniforme. De um modo geral, o vento possui valores mínimos junto ao solo, incrementando o valor da sua velocidade com o aumento da altitude. (Borges et al, 2009a).

A baixas altitudes, fatores como edifícios ou árvores altas que provocam uma diminuição da velocidade do vento próxima à superfície. A Tabela 3.3 revela o coeficiente de rugosidade do solo para diferentes terrenos.

Tabela 3.3-Coeficiente da rugosidade para várias superfícies [Fonte: Borges et al, 2009a]

Tipo de terreno Rugosidade z0 (m)

Superfície lisa, gelo 0,0001-0,00003

Mar liso 0,0002-0,0003

Areia (praia ou deserto) 0,0001-0,0003

Relva cortada 0,004-0,01

Relva crescida 0,004-0,01

Cereais-arbustos 0,01-0,05

Floresta 0,02-0,1

Zona de moradias 0,3-1,0

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(3.1)

Pela influencia da rugosidade do solo, torna-se vital determinar a altura h para posicionar corretamente os aerogeradores, uma vez que esta pode influenciar a sua produção.

É por este motivo que nem todos os locais são propícios à implementação de sistemas de aproveitamento eólico e é também assim explicado o motivo para se instalar as turbinas eólicas em torres muito altas, para desse modo diminuir a rugosidade do solo.

A existência de maiores obstáculos como grandes edificios, conclui-se que os locais mais povoados possuem maior rugosidade, originando turbulência do vento. Em lado inverso, o mar como apresenta uma rugosidade muito baixa, faz com que os ventos maritimos sejam mais constantes e o aproveitamento eólico offshore seja bastante interessante (Borges et al, 2009a).

3.5. Lei de Prandtl

Como é visível pelo perfil da velocidade do vento demonstrado na Figura 3.6, a velocidade aumenta consoante nos afastamos do solo. O atrito entre a superfície terrestre e o vento provoca uma diminuição da velocidade deste último, sendo que somente a partir de 2000 metros este efeito será praticamente nulo.

A velocidade do vento no junto ao solo é nula devido à barreira natural que este apresenta. A zona onde se verifica uma alteração da velocidade do vento chama-se camada limite da atmosférica e acima dessa zona trata-se de uma atmosfera livre.

As turbinas eólicas aproveitam o vento na camada superficial, também designada como camada logarítmica, que se encontra até aos 100 metros. Nesta camada, fatores como a topografia do vento e rugosidade do solo, condicionam o perfil da velocidade do vento, representado pela Equação 3.2 que descreve a lei logarítmica de Prandtl (Borges et al, 2009a).

𝑢̅(𝑧) = 𝑢𝜏

𝐾 × 𝑙𝑛 ( 𝑧 𝑧₀)