ENERGIA SOLAR

Energia solar é um termo que se refere à energia proveniente da luz e do calor do Sol. É utilizada por meio de diferentes tecnologias em constante evolução, como o aquecimento solar, a energia solar fotovoltaica, a energia heterotérmica, a arquitetura solar e a fotossíntese artificial.....

Uma das principais características de nossa sociedade, ao menos sob um ponto de vista prático e material, é o aumento cada vez maior da demanda por abastecimento energético. Esta é a condição para a existência de nossa indústria, nossos meios de transporte e até mesmo a agricultura e a vida urbana. Enfim, é a condição para a existência de nossa sociedade como a conhecemos.

Por milhares de anos a humanidade sobreviveu com base no trabalho braçal e animal. As primeiras fontes de energia inanimadas, como rodas hidráulicas e moinhos de vento, significaram um importante incremento quantitativo do regime de trabalho – ou potência – mas o salto qualitativo só se produziu a partir dos séculos XVII e XVIII.

O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância,derivadas da energia do Sol.É a partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas, que possibilita o represamento e a consequente geração de eletricidade (hidroeletricidade). A radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os ventos. Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que, originalmente, obtiveram a energia necessária ao seu desenvolvimento, da radiação solar. Algumas formas de utilização da energia solar são apresentadas a seguir.

O desenvolvimento do motor de combustão interna e de diversas turbinas incrementaram tanto a potência das diversas unidades de produção como o número total de unidades existentes e, portanto, aumentaram a capacidade de produção do homem e seu consumo de combustível. O crescimento exponencial desse consumo se iniciou com a Revolução Industrial do século XVIII.

Hoje em dia mais de 98% de nossa energia procede de combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás natural. Por mais importantes que sejam, as reservas de combustíveis fósseis são limitadas e, como a interrupção do consumo é praticamente impossível, o ritmo atual de exploração de tais combustíveis é insustentável. O petróleo e o carbono, além disso, são importantíssimas matérias primas para a indústria química e seu desperdício como combustível é, no mínimo, uma falta de visão.

Até muito pouco tempo se dava por descartada a esgotabilidade da energia. Um homem comum simplesmente desconhecia a intrincada rede formada pela produção de combustível e a indústria que serve à sua comodidade. A divisão do trabalho, levada ao limite, foi a responsável por essa posição de puro descaso – do pensamento: "não importa de onde venha, se eu o obtenho" – que prevalecia em nossa sociedade de consumo. Não fazíamos conta do valor inerente ao que possuímos. Esta é uma das causas da alienação, da divisão entre a vida particular e a sociedade como um todo e os processos naturais dos quais dependemos.

Nos últimos anos, no entanto, este quadro tem se alterado significativamente. Pessoas comuns são melhor informadas, devido à crescente eficiência dos meios de comunicação, o que gera um fortalecimento da consciência comum, quanto à necessidade da manutenção de nossas reservas esgotáveis de energia e do desenvolvimento tecnológico no setor de aproveitamento de fontes de energia alternativas.

O Sol, além de fonte de vida, é a origem de toda as formas de energia que o homem vem utilizando durante sua história e pode ser a resposta para a questão do abastecimento energético no futuro, uma vez que aprendamos a aproveitar de maneira racional a luz que esta estrela constantemente derrama sobre nosso planeta. Brilhando a mais de 5 bilhões de anos, calcula-se que o Sol ainda nos privilegiará por outros 6 bilhões de anos, ou seja, ele está apenas na metade de sua existência e lançará sobre a Terra, só neste ano, 4000 vezes mais energia que consumiremos.

Frente a esta realidade, seria irracional não buscar, por todos os meios tecnicamente possíveis, aproveitar esta fonte de energia limpa, inesgotável e gratuita. Discutiremos, a partir deste ponto, a disponibilidade da energia proveniente do Sol, os métodos de captação desta energia e possíveis usos e aplicações.

A Terra recebe energia radiante do Sol a um regime de 173x10¹⁵ W (*), emitindo uma quantidade idêntica. Esta é uma condição do equilíbrio. A emissão depende da temperatura da Terra, ou seja, a temperatura do planeta tal qual o conhecemos é a temperatura de equilíbrio na qual a admissão é igual à emissão de radiação. Assim, se a admissão mudasse por qualquer razão, a temperatura de equilíbrio também se modificaria.

Aproximadamente 30% da radiação entrante se reflete sem mudança na amplitude de onda. Cerca de 47% é absorvida pela atmosfera e pela superfície terrestre, provoca um aumento de temperatura e, em seguida, irradia-se novamente para o espaço. Apenas os 23% restantes penetram no sistema terrestre e passam a ser a força motriz de ventos, correntes, ondas, modela nosso clima e proporciona o ciclo da água. Em última instância, também será re-irradiado ao espaço.

Somente 0,02% do total, ou seja 40x10¹² W penetra no sistema biológico, por fotossíntese, nas plantas e em outros organismos "produtores". Uma pequena proporção da energia armazenada como energia química em plantas e tecidos de corpos animais se acumularam com durante milhões de anos, sob condições geológicas favoráveis, na forma de carvão e óleos minerais, convertendo-se em nossas reservas de combustíveis fósseis. Isto é um fato: o ritmo de formação de combustíveis fósseis (se existe) é mínimo em comparação com o ritmo de consumo. Se desejamos evitar um esgotamento de nossas reservas de combustíveis fósseis, devemos desviar o fluxo destas importantes quantidades de energia provenientes do Sol e redirigi-las para que trabalhem para nós, antes que se dissipem e sejam re-irradiadas ao espaço.

Energia Solar Fototérmica

Nesse caso, estamos interessados na quantidade de energia que um determinado corpo é capaz de absorver, sob a forma de calor, a partir da radiação solar incidente no mesmo. A utilização dessa forma de energia implica saber captá-la e armazená-la. Os equipamentos mais difundidos com o objetivo específico de se utilizar a energia solar foto-térmica são conhecidos como coletores solares.Os coletores solares são aquecedores de fluidos (líquidos ou gasosos) e são classificados em coletores concentradores e coletores planos em função da existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar. O fluido aquecido é mantido em reservatórios termicamente isolados até o seu uso final (água aquecida para banho, ar quente para secagem de grãos,

gases para acionamento de turbinas, etc.). Os coletores solares planos são, hoje, largamente utilizados para aquecimento de água em residências, hospitais, hotéis, etc. devido ao conforto proporcionado e a redução do consumo de energia elétrica.

Arquitetura Bioclimática

Chama-se arquitetura bioclimática o estudo que visa harmonizar as construções ao clima e características locais, pensando no homem que habitará ou trabalhará nelas, e tirando partido da energia solar, através de correntes convectivas naturais e de microclimas criados por vegetação apropriada. É a adoção de soluções arquitetônicas e urbanísticas adaptadas às condições específicas (clima e hábitos de consumo) de cada lugar, utilizando, para isso, a energia que pode ser diretamente obtida das condições locais. A arquitetura bioclimática não se restringe a características arquitetônicas adequadas. Preocupa-se, também, com o desenvolvimento de equipamentos e sistemas que são necessários ao uso da edificação (aquecimento de água, circulação de ar e de água, iluminação, conservação de alimentos, etc.) e com o uso de materiais de conteúdo energético tão baixo quanto possível.

Energia Solar Fotovoltaica

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.Inicialmente o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca, por empresas do setor de telecomunicações, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O segundo agente impulsionador foi a "corrida espacial". A célula solar era, e continua sendo, o meio mais adequado (menor custo e peso) para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de permanência no espaço. Outro uso spacial que impulsionou o desenvolvimento das células solares foi a necessidade de energia para satélites. A crise energética de 1973 renovou e ampliou o interesse em aplicações terrestres. Porém, para tornar economicamente viável essa forma de conversão de energia, seria necessário, naquele momento, reduzir em até 100 vezes o custo de produção das células solares em relação ao daquelas células usadas em explorações espaciais. Modificou-se, também, o perfil das empresas envolvidas no setor. Nos Estados Unidos, as empresas de petróleo resolveram diversificar seus investimentos, englobando a produção de energia a partir da radiação solar. Em 1993 a produção de células fotovoltaicas atingiu a marca de 60 MWp, sendo o Silício quase absoluto no "ranking" dos materiais utilizados. O Silício, segundo elemento mais abundante no globo terrestre, tem sido explorado sob diversas formas: monocristalino, policristalino e amorfo. No entanto, a busca de materiais alternativos é intensa e concentra-se na área de filmes finos,onde o silício amorfo se enquadra. Células de filmes finos, além de utilizarem menor quantidade de material do que as que apresentam estruturas cristalinas, requerem uma menor quantidade de energia no seu processo de fabricação. Ou seja, possuem uma maior eficiência energética.

Radiação Solar

O Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre, 1,5 x 10 18 kWh de energia . Trata-se de um valor considerável, correspondendo a 10000 vezes o consumo mundial de energia neste período. Este fato vem indicar que, além de ser responsável pela manutenção da vida na Terra, a radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia (térmica, elétrica, etc.). Uma das possíveis formas de conversão da energia solar é conseguida através do efeito fotovoltaico que ocorre em dispositivos conhecidos como células fotovoltaicas. Estas células são componentes optoeletrônicos que convertem diretamente a radiação solar em eletricidade. São basicamente constituídas de materiais semicondutores, sendo o silício o material mais empregado.

Radiação Solar: Captação e Conversão

O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve em trajetória elíptica um plano que é inclinado de aproximadamente 23,5 o com relação ao plano equatorial. Esta inclinação é responsável pela variação da elevação do Sol no horizonte em relação à mesma hora, ao longo dos dias, dando origem às estações do ano e dificultando os cálculos da posição do Sol para uma determinada data, como pode ser visto na figura . A posição angular do Sol, ao meio dia solar, em relação ao plano do Equador (Norte positivo) é

chamada de Declinação Solar (δ). Este ângulo, que pode ser visto na figura 2.1.1, varia, de acordo com o dia do ano, dentro dos seguintes limites:

-23,45° ≤ δ ≤ 23,45°

A soma da declinação com a latitude local determina a trajetória do movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra.

A radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre provém da região da fotosfera solar que é uma camada tênue com aproximadamente 300 km de espessura e temperatura superficial da ordem de 5800 K. Porém, esta radiação não se apresenta como um modelo de regularidade, pois há a influência das camadas externas do Sol (cromosfera e coroa), com pontos quentes e frios, erupções cromosféricas, etc.. Apesar disto, pode-se definir um valor médio para o nível de radiação solar incidente normalmente sobre uma superfície situada no topo da atmosfera. Dados recentes da WMO (World Meteorological Organization) indicam um valor médio de 1367 W/m2 para a radiação extraterrestre. Fórmulas matemáticas permitem o cálculo, a partir da "Constante Solar", da radiação extraterrestre ao longo do ano, fazendo a correção pela órbita elíptica. A radiação solar é radiação eletromagnética que se propaga a uma velocidade de 300.000 km/s, podendo-se observar aspectos ondulatórios e corpusculares.  

Radiação Solar a Nível do Solo

De toda a radiação solar que chega às camadas superiores da atmosfera, apenas uma fração atinge a superfície terrestre, devido à reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera. Esta fração que atinge o solo é constituída por um componente direta (ou de feixe) e por uma componente difusa.

Figura 2.3 - Componentes da radiação solar ao nível do solo Notadamente, se a superfície receptora estiver inclinada com relação à horizontal, haverá uma

terceira componente refletida pelo ambiente do entorno (solo, vegetação, obstáculos, terrenos rochosos, etc.). O coeficiente de reflexão destas superfícies é denominado de "albedo". Antes de atingir o solo, as características da radiação solar (intensidade, distribuição espectral e angular) são afetadas por interações com a atmosfera devido aos efeitos de absorção e

espalhamento. Estas modificações são dependentes da espessura da camada atmosférica, também identificada por um coeficiente denominado "Massa de Ar" (AM), e, portanto, do ângulo Zenital do Sol, da distância Terra-Sol e das condições atmosféricas e meteorológicas. Devido à alternância de dias e noites, das estações do ano e períodos de passagem de nuvens e chuvosos, o recurso energético solar apresenta grande variabilidade, induzindo, conforme o

caso, à seleção de um sistema apropriado de estocagem para a energia resultante do processo de conversão. Observa-se que somente a componente direta da radiação solar pode ser submetida a um processo de concentração dos raios através de espelhos parabólicos, lentes, etc. Consegue-se através da concentração, uma redução substancial da superfície absorvedora solar e um aumento considerável de sua temperatura.

CONCLUSÃO

O Sol ocupou as mais diferentes posições – de deus a centro de nosso sistema planetário – na história da humanidade, mas o homem sempre reconheceu sua inegável importância e beleza.

Neste milênio, voltamos novamente nosso olhares ao Sol, atentos para mais uma de suas iminentes posições: a de fonte alternativa de energia para nosso futuro. Sabemos que nossas reservas de combustíveis fósseis se esgotarão e devemos nos preparar para isso, aprendendo a manusear a energia que o Sol lança gratuitamente em nosso planeta.

Os métodos de captação e conversão de energia solar, atualmente, apresentam um rendimento muito aquém do teoricamente possível. Os preços dos equipamentos necessários para a substituição de um sistema convencional de obtenção de energia por um sistema que transforme a energia radiante proveniente do Sol ainda tornam, na maioria dos casos, esta opção inviável ou desinteressante.

Devemos trabalhar para reverter esta realidade, desenvolvendo a tecnologia deste setor, a fim de alcançar o máximo rendimento possível em seus equipamentos, tornando o seu uso viável.

Atualmente existem varias aplicações, algumas dais quais apresentamos nesta exposição, ainda que muito brevemente, devido a grande variedade e complexidade dos assuntos. Esperamos com isso incentivar o uso e o aprimoramento dos métodos apresentados, assim como a pesquisa acerca de novas maneiras de aproveitamento da energia solar.

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FONTE: 

http://www.cresesb.cepel.br

http://www.fem.unicamp.br