SOLUÇÕES ENERGETICAS SUSTENTAVEIS ESTUDO DA GERAÇÃO DE ENERGIA TERMOSOLAR E FOTOVOLTAICA

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDECENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICAUNIDADE ACADÊMICA DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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III SEMINÁRIO DE ELETROTÉCNICA APLICADA À SUSTENTABILIDADE

CAMPINA GRANDE, PARAÍBA 14 A 30 DE NOVEMBRO DE 2011

SOLUÇÕES ENERGETICAS SUSTENTAVEIS ESTUDOS DA GERAÇÃO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA E

TERMOSOLAR

Jefferson Honório Gomes da Silva

Luis Reyes Rosales Montero

Graduando do curso de engenharia [email protected]

Professor da Unidade Acadêmica de Engenharia Elétrica da UFCG, [email protected]

RESUMO

Quase todas as fontes de energia – hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar. Além disso, a radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica. Podendo ainda ser convertida diretamente em energia elétrica, por meio de efeitos sobre determinados materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico e o fotovoltaico. A energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa (e, em certo sentido, da energia térmica) proveniente do sol, e posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem. A proposta deste trabalho é estudar a utilização da energia captada por células fotovoltaicas e comparar com a energia proveniente de termoelétricas.

Palavras-chave: Utilização, Energia Solar, Células Fotovoltaicas, Termoelétrica.

III Seminário Organizado Pelo Dr. Luis Reyes Rosales Montero, Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da UFCG no Auditório do Reenge sala 11 nos dias 14 ao dia 30 Novembro de 2011.

mailto:[email protected]

III SEMINÁRIO DE ELETROTÉCNICA APLICADA À SUSTENTABILIDADE. U F C G / U A E E - N o v e m b r o 2 0 1 1

1. INTRODUÇÃO

O desenvolvimento das nações trás com ele um grande consumo de energia elétrica, o maior problema é que geralmente essa produção de energia tem grandes impactos ambientais.

As centrais hidrelétricas fontes da maior parte da energia elétrica consumida no Brasil geram, como todo empreendimento energético, alguns tipos de impactos ambientais como o alagamento das áreas vizinhas, aumento no nível dos rios, em algumas vezes pode mudar o curso do rio represado, podendo, ou não, prejudicar a fauna e a flora da região.

Outro tipo de energia muito falado atualmente é a energia nuclear, mas, essa forma de se produzir energia é um tanto delicada tendo em vista que as instalações nucleares são construções muito complexas, devido às diversas tecnologias industriais empregadas, e ao elevado grau de segurança que é adaptado, além de produzir uma grande quantidade de energia elétrica, também produz resíduos nucleares que devem ser isolados em depósitos impermeáveis durante longo tempo.

Uma das alternativas mais viáveis para a produção de energia limpa é a capitação com células fotovoltaicas de energia solar que pode ser convertida diretamente em energia elétrica por meio de efeitos sobre determinados materiais, sem gerar nenhum impacto ao meio ambiente.

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http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_el%C3%A9ctrica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Rio


Essa forma de produção de energia limpa consiste do fato de que os fótons contidos na luz solar são convertidos em energia elétrica, por meio do uso de células solares.

Isso posto, neste trabalho pretende-se estudar as vantagens no uso dessa forma de energia alternativa, a sua forma de captação e os materiais empregados para que se torne viável a sua utilização.

2. OBJETIVO

Este trabalho tem como objetivo realizar um levantamento bibliográfico e reunir algumas soluções no que diz respeito à Energia Solar, dando ênfase à sua capitação com células fotovoltaicas e comparando esse tipo de captação de energia com a produzida em usinas termoelétricas que encontram na Paraíba um forte potencial para sua instalação, mostrando assim de que forma é possível garantir a demanda de energia necessária ao desenvolvimento humano de uma forma sustentável.

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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Energia Solar

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

No seu movimento de translação ao redor do Sol, a Terra recebe 1 410 W/m² de energia, medição feita numa superfície normal (em ângulo reto) com o Sol. Disso, aproximadamente 19% é absorvido pela atmosfera e 35% é refletido pelas nuvens. Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar está na forma de luz visível e luz ultravioleta.

As plantas utilizam diretamente essa energia no processo de fotossíntese. Nós usamos essa energia quando queimamos lenha ou combustíveis minerais. Existem técnicas experimentais para criar combustível a partir da absorção da luz solar em uma reação química de modo similar à fotossíntese vegetal - mas sem a presença destes organismos.

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http://pt.wikipedia.org/wiki/Vegetal

http://pt.wikipedia.org/wiki/Fotoss%C3%ADntese

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ultravioleta

http://pt.wikipedia.org/wiki/Terra

http://pt.wikipedia.org/wiki/Transla%C3%A7%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_mec%C3%A2nica

http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_el%C3%A9trica


A radiação solar, juntamente com outros recursos secundários de alimentação, tal como a energia eólica e das ondas, hidroelétricas e biomassa, são responsáveis por grande parte da energia renovável disponível na terra. Apenas uma minúscula fração da energia solar disponível é utilizada

.3.2 Tipos de Energia solar

Os métodos de captura da energia solar classificam-se em diretos ou indiretos:

Direto - significa que há apenas uma transformação para fazer da energia solar um tipo de energia utilizável pelo homem. Exemplos:

A energia solar atinge uma célula fotovoltaica criando eletricidade. (A conversão a partir de células fotovoltaica é classificada como direta, apesar de que a energia elétrica gerada precisará de nova conversão - em energia luminosa ou mecânica, por exemplo - para se fazer útil.)

A energia solar atinge uma superfície escura e é transformada em calor, que aquecerá uma quantidade de água, por exemplo - esse princípio é muito utilizado em aquecedores solares.

Indireto - significa que precisará haver mais de uma transformação para que surja energia utilizável. Exemplo: Sistemas que controlam automaticamente cortinas, de acordo com a disponibilidade de luz do Sol.

Também se classificam em passivos e ativos: Sistemas passivos são geralmente diretos, apesar de envolverem (algumas vezes) fluxos em

convicção, que é tecnicamente uma conversão de calor em energia mecânica.

Sistemas ativos são sistemas que apelam ao auxílio de dispositivos elétricos, mecânicos ou químicos para aumentar a efetividade da coleta. Sistemas indiretos são quase sempre também ativos.

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Figura 01 – Esquema de Captação de Energia Solar

3.3 Vantagens

A energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controles existentes atualmente. As centrais necessitam de manutenção mínima.

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

A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão.

Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de produção energética, sua utilização ajuda a diminuir a demanda energética nestes e conseqüentemente a perda de energia que ocorreria na transmissão.

3.4 Desvantagens

Um painel solar consome uma quantidade enorme de energia para ser fabricado. A energia para a fabricação de um painel solar pode ser maior do que a energia gerada por ele.

Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de energia.

Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação atmosférica (chuvas, neve), além de que durante a noite não existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia.

Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com freqüente cobertura de nuvens (Curitiba, Londres), tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade.

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As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), a energia hidrelétrica (água) e a biomassa (bagaço da cana ou bagaço da laranja).

À semelhança de outros países do mundo, em Portugal desde Abril de 2008 um particular pode produzir e vender energia elétrica à rede elétrica nacional, desde que produzida a partir de fontes renováveis. Um sistema de micro produção ocupa cerca de 30 metros quadrados e permite ao particular receber perto de 4 mil euros ano.

3.5 Sistemas Fotovoltaicos

A energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (efeito fotovoltaico). O efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, é o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. A célula fotovoltaica é a unidade fundamental do processo de conversão

Figura 02 – Configuração Básica de um Sistema Fotovoltaico Isolado

Módulos Fotovoltaicos: Equipamentos de Silício Cristalino

Baterias estacionárias: São projetados para trabalhar com sistemas fotovoltaicos, com vida útil acima de 4 anos, sem manutenção.

Controlador de Tensão: Protege as baterias contra descargas profundas e excesso de carga, aumentando a vida útil das baterias.

Inversor: Permite a utilização de aparelhos de corrente alternada.

3.6 Equipamentos para um Sistema Fotovoltaico

No dimensionamento de um sistema autônomo de energia são analisados os geradores que são os fornecedores do insumo energético, os condutores que transmitem a energia (fios e cabos), os controladores de carga que regulam a voltagem do gerador e o estado de carga das baterias, os acumuladores (baterias) que armazenam a energia gerada para o aproveitamento futuro e os inversores que transformam a corrente contínua gerada em corrente alternada própria a utilização na maioria dos equipamentos eletrodomésticos.

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Módulos Fotovoltaicos

Os módulos fotovoltaicos são formados de células feitas principalmente de silício, um elemento capaz de absorver as partículas de fótons existentes nos raios solares e transformá-las em corrente elétrica contínua.

Uma célula individual, produz apenas uma reduzida potência elétrica, o que tipicamente varia entre 1 e 3 W, com uma tensão menor que 1 Volt. Para disponibilizar potências mais elevadas, células são integradas, formando um módulo (ou painel). Ligações em série de várias células aumentam a tensão disponibilizada, enquanto que ligações em paralelo permitem aumentar a corrente elétrica. O mesmo ocorre para os painéis.

Figura 03 – Estrutura de uma célula de silício convencional

Figura 04 – Hierarquia fotovoltaica

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Os painéis de módulos fotovoltaicos podem ser instalados de três maneiras principais:

Montagem à superfície - Os módulos são montados num quadro de aço ou de alumínio fixado numa estrutura apropriada feito no telhado já pronto. Trata-se provavelmente da instalação de menor custo.

Montagem em cobertura - Os módulos são fixados diretamente nos caibros da cobertura. Em vez de estarem colocados no telhado, são colocados na sua estrutura: o custo excedente é parcialmente compensado pela economia de materiais de cobertura. Este tipo de instalação tem menos impacto visual do que os painéis à superfície.

Telhas solares - São mais caras do que os módulos clássicos, mas a diferença de preço é compensada pelo fato de não ser necessária a estrutura de montagem. As telhas apresentam um aspecto sóbrio e clássico e são fáceis de colocar. Além dessas principais, temos painéis adesivos que podem ser colados nas paredes e painéis semitransparentes, usados em janelas.

Baterias Estacionárias

Figura 05 - Bateria EstacionáriaA função prioritária das baterias num sistema de geração fotovoltaico é acumular a energia

que se produz durante as horas de luminosidade a fim de poder ser utilizada à noite ou durante períodos prolongados de mau tempo. Outra importante função das baterias é prover uma intensidade de corrente superior àquela que o dispositivo fotovoltaico pode entregar. É o caso de um motor, que no momento do arranque pode exigir uma corrente de 4 a 6 vezes sua corrente nominal durante uns poucos segundos. Normalmente o banco de baterias de acumuladores e os módulos fotovoltaicos trabalham em conjunto para alimentar as cargas. Durante a noite toda a energia pedida pela carga é fornecida pelo banco de baterias.

Em horas matutinas os módulos começam a gerar, mas se a corrente que fornecerem for menor que aquela que a carga exige, a bateria deverá contribuir. A partir de uma determinada hora da manhã a energia gerada pêlos módulos fotovoltaicos supera a energia média procurada, passando então a recarregar as baterias.

Utiliza-se principalmente baterias de 12V./150Ah. Recomenda-se o uso de baterias seladas de ciclos constantes, livres de manutenção. Baterias não devem ser instaladas diretamente sobre o solo ou piso: devem sempre ser assentadas sobre uma base plástica ou de madeira. Observar que o local esteja sempre livre de umidade e impurezas, e seja ventilado. Mantenha a bateria em local abrigado do sol e da chuva. A eficiência do sistema de energia solar depende diretamente da qualidade e do estado das baterias. Baterias velhas aceitam menos carga e ainda desperdiçam a energia de carga fornecida.

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A capacidade de armazenagem de energia de uma bateria depende da velocidade de descarga. A capacidade nominal que a caracteriza corresponde de uma maneira geral a um tempo médio de descarga de 10 horas. Quanto maior for o tempo de descarga, maior será a quantidade de energia que a bateria fornece.

Controladores de Tensão

Figura 06 – Controlador de Tensão

É um aparelho eletrônico que protege as baterias de sobrecargas e descargas excessivas, prolongando sua vida útil. Existem diversos tipos de reguladores de carga. A concepção mais simples é aquela que envolve uma só etapa de controle. O regulador monitora constantemente a tensão da bateria dos acumuladores e fica definido ao especificar o seu nível de tensão (que coincidirá com o valor de tensão do sistema) e a corrente máxima que deverá manejar.

Quando a referida tensão alcança um valor para o qual se considera que a bateria se encontra carregada (aproximadamente 14.1 Volts para uma bateria de chumbo ácido de 12 Volts nominais) o regulador interrompe o processo de carga. Isto pode ser conseguido abrindo o circuito entre os módulos fotovoltaicos e a bateria (controle tipo serie) ou curto-circuitando os módulos fotovoltaicos (controle tipo shunt). Quando o consumo faz com que a bateria comece a descarregar, portanto, a baixar sua tensão, o regulador reconecta o gerador à bateria e recomeça o ciclo.

No caso de reguladores de carga cuja etapa de controle opera em dois passos, a tensão de carga a fundo da bateria pode ser algo superior a 14,1 Volts. Para ilustrar com um exemplo simples, suponha-se que se tenha de alimentar uma habitação rural com consumo em 12 Vcc. E para isso se utilizem dois módulos fotovoltaicos. A corrente máxima destes módulos é Imp = 2,75 A e a corrente de curto-circuito Icc. = 3 A. Quando os módulos estão em paralelo a corrente total máxima que deverá controlar o regulador será I total = 2 x 3 A = 6 A. Considera-se a corrente de curto-circuito para contemplar a pior situação. O regulador a escolher, portanto, deverá estar concebido para trabalhar a uma tensão de 15 Volts (tensão de trabalho dos módulos) e manejar uma corrente de 6 A.

Conversores

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Figura 07 – Conversores de Tensão

É um aparelho eletrônico que converte a energia elétrica DC em AC (corrente alternada) 110 ou 220 Volts, possibilitando a utilização dos eletrodomésticos encontrados no mercado. O controlador de carga otimiza o uso da Energia Fotovoltaica, protegendo a bateria contra sobrecargas e descargas excessivas, não permite a descarga total da bateria desconectando a carga, garantindo mais vida útil à bateria e protegendo o módulo evitando o retorno da energia.

Os tipos básicos de inversores são:

Inversor de onda senoidal – utilizado em sistemas ligados a rede elétrica "utility intertie". A maior parte das residências utiliza corrente alternada de 60Hz e 120 Volts. O inversor senoidal transforma a corrente direta do sistema FV (variando geralmente entre 12Vcd – 360Vcd) em 120 Vca, 60 Hz e sincroniza com a rede elétrica.

O Inversor de onda senoidal modificada – é semelhante ao anterior, porém não produz energia com a mesma qualidade e desta maneira não é aceito pela rede elétrica e seu uso fica restrito para os sistemas independentes e de custo inferior.

3.7 Potencial Paraibano

A alta incidência de luz solar no Sertão do Estado tem despertado o interesse de empresas para a instalação de usinas que utilizam o sol como fonte de produção de energia. Com investimentos de R$ 325 milhões, usina localizada em Coremas, no interior da Paraíba, coloca o Brasil no mapa mundial da geração energética a partir do Sol

O faro e a agilidade para identificar e pôr em prática boas oportunidades de negócios são ingredientes importante na carreira de quem atua no mercado financeiro. O trio de empreendedores paulistas Edmond Farhat, Sérgio Reinas e Rafael Brandão sabe muito bem disso. Ao longo dos últimos 20 anos, quando passaram por instituições como Citibank, Delta Commodities Banco Rural Internacional, eles estruturaram diversas operações para a captação de recursos para projetos energéticos. Agora, eles resolveram utilizar a experiência para se tornar empreendedores do setor. A primeira tacada do trio é a Usina Coremas I, situada em Coremas, cidade encravada no sertão da

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Paraíba, a 390 quilômetros da capital João Pessoa. A usina terá capacidade de gerar 50 megawatts (MW), com a força dos raios solares, a partir do primeiro semestre de 2013.

Figura 11 – Coremas-PB

Trata-se de um volume suficiente para abastecer 830 mil residências. Orçado em R$ 325 milhões, o empreendimento colocará o Brasil definitivamente no mapa mundial da energia solar. Até agora, já foram desembolsados R$ 15,5 milhões. Os recursos foram aplicados no estudo de implantação e viabilidade, além da compra do terreno de 400 hectares. “De tanto fazer estudos para nossos clientes, decidimos nos arriscar do outro lado do balcão”, afirma Farhat à DINHEIRO. O negócio está sendo tocado por meio da Mais Asset Management, da qual Farhat, Reinas e Brandão são acionistas, e tem como parceiro o Banco Paulista, dono de uma fatia de 30,8% do empreendimento. A meta é atrair outro sócio com experiência no segmento energético, que ficaria com uma participação de 35,2%. Farhat, Reinas e Brandão dividiriam os 34% restantes.

Por que investir em energia solar, considerada até há pouco tempo proibitiva em função do custo de aquisição e manutenção dos equipamentos? “A tecnologia evoluiu e hoje essa modalidade já tem um preço competitivo em relação às demais opções renováveis”, afirma Brandão. É que, em uma das tradicionais placas fotovoltaicas (conhecidas como painéis solares), o trio foi buscar nos Estados Unidos um sistema híbrido, semelhante ao utilizado na cogeração, a partir da queima da biomassa (restos de bagaço de cana, por exemplo). A Usina Coremas I usará a potência dos raios solares, captados por coletores revestidos de películas prateadas, para aquecer tubos cheios de água. O líquido, a uma temperatura de 400 graus centígrados, será direcionado para uma caldeira para ser convertido em vapor. Este, por sua vez, movimentará a turbina que gera energia. Apesar das várias etapas, esse processo, de acordo com os investidores, é 55% mais barato em relação à eletricidade

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obtida com placas fotovoltaicas. Além disso, seu grau de eficiência, ainda segundo eles, é 50% maior.

Trata-se do mesmo método utilizado na Ivanpah Solar Energy Generating System, a maior usina do gênero do mundo, situada no deserto de Mojave, na Califórnia, que vai consumir US$ 168 milhões e gerar 354 MW. O Google é um dos principais investidores. O desbravamento do sertão paraibano é apenas a primeira fase da jornada eletrizante que o trio pretende seguir na área empresarial. A Rio Alto Energia tem licença para produzir até 125 MW.

. Figura 12 – Mapa da Luz no Brasil

4.4 Usina Termo-solar

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Figura 13 – Usina Solar de Alvarado I



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http://www.youtube.com/watch?v=yKkyLKYamUo




3.8 Funcionamento da Usina Coremas I

Refletor Parabólico

Os refletores parabólicos são projetados para redirecionar todos ou a maior parte dos raios solares, eles são compostos de um grupo de espelhos individuais espalhados em um campo, equipados com mecanismo de acompanhamento do sol, chamados eliostátos, que coletam e refletem a energia solar, utilizando a geometria parabólica dos refletores pode-se concertar os raios solares em um receptor no alto de uma torre. Internamento a esta torre encontra-se o fluido de trabalho, responsável pelo transporte da energia térmica convertida no receptor para o ciclo de potência, esse esquema pode ser visto na figura 16.

Figura 16 – Refletores Parabólicos

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Fluido Térmico

O tubo de transporte que recebe os raios solares redirecionados pelos Refletores Parabólicos contém um liquido especial que absorve calor solar, na usina que se planeja instalar na Paraíba esse fluido pode alcançar temperaturas de ate 400 °C, esse esquema pode ser visto na figura 17.

Figura 17 – Tubo de Transporte do Liquido

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Dimensões dos Refletores

No sistema que será montado em Coremas, serão utilizadas fileiras com 12 módulos com as dimensões dadas na figura 18.

Figura 18 – Dimensões dos Refletores Parabólicos

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Figura 19 – Sistema de Aquecedores

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Figura 22 – Plantação de Tomates

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3.9 Vantagem da Geração termosolar em relação a Geração Fotovoltaicas

Fornecimento ininterrupto

Uma das maiores vantagens da energia termo solar é o fornecimento de energia, ininterruptamente, durante 24 horas. Em contraste com as células solares fotovoltaicas, que usam a luz do sol para gerar eletricidade, as centrais térmicas solares usam o calor do sol para movimentar turbinas a vapor e gerar eletricidade. Uma das maiores vantagens do uso de calor é que ele pode ser armazenado mais facilmente do que a luz, permitindo a produção de eletricidade, mesmo depois do por do sol.

A capacidade de gerar 24 horas de energia elétrica, representa um passo importante para demonstrar a confiabilidade da tecnologia solar, que é um dos maiores desafios da indústria. Além de fornecer energia contínua em dias nublados e à noite, a resiliência da usina permite gerenciar o fornecimento de energia elétrica enviada para a rede e responder a picos de demanda.

Em contraste a energia termo-solar, a energia solar captada por células fotovoltaicas tem grandes variações nas quantidades produzidas de acordo com a situação atmosférica (chuvas, neve), além de que durante a noite não existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia.

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5. REFERÊCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_solar

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