Faculdade de Engenharia da Universidade Do Porto

Energia Solar e aplicações

futuras

Projeto FEUP 2016/2017 – Mestrado Integrado em Engenharia

Mecânica:

Professor supervisor: Abílio de Jesus

Monitor: Rúben da Silva Madureira

Turma: 1M06

Equipa: 4

Estudantes e Autores:

Mariana Rocha Carvalho up201605417@fe.up.pt

João Eduardo Rebelo Lopes up201605565@fe.up.pt

Miguel Ferreira da Cunha Barros up201605573@fe.up.pt

Tomás da Rocha Anjo up201605478@fe.up.pt

Domingos Tiago da Silva Pinheiro up201605564@fe.up.pt

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Energias Solares e aplicações futuras 2

Resumo

Desde a Idade da Pedra, o Homem sempre tentou usar as fontes de energia

disponíveis para seu prazer próprio. Fontes de energia com a queima da madeira ou

combustíveis fósseis, vento, água corrente, solar, etc, sempre bastante exploradas pelo

Homem. No início do século XIX, a procura de formas de aproveitamento tornou-se mais

acentuada. O facto de em 1839 Edmond Becquerel ter descoberto o efeito fotovoltaico

(processo pelo qual a energia solar é convertida em energia elétrica) contribuiu para que a

energia solar fosse uma fonte de energia muito explorada.

Nos dias de hoje, a energia solar é convertida em energia elétrica através de

painéis solares de coletores solares. Os painéis solares produzem energia elétrica através

do efeito fotovoltaico, enquanto os coletores solares transformam a energia solar em energia

térmica, transferindo-a para um fluido. Em Portugal, devido às taxas de insolação, é de se

esperar uma alta taxa de produção de energia elétrica através da energia solar.

Apesar da energia solar ser proveniente de uma fonte de energia renovável, amiga,

prática, com elevados apoios estatais e com grandes níveis de investigação no ramo, é uma

verdade que, associado a esta, está um elevado preço, uma grande dificuldade de

armazenamento, um baixo rendimento e uma taxa de poluição elevada quando se fala dos

processos de fabrico dos equipamentos necessários na conversão.

As telhas solares, o projeto Juno, o tecido fotovoltaico e o World Solar Challenge

são aplicações futuristas para promoção da energia fotovoltaica. As telhas solares são

constituídas por quatro células fotovoltaicas e seriam uma ideia interessante para aumentar

a estética de edifícios particulares em que se pretenda a conversão de energia solar em

elétrica. O projeto Juno consistiu no lançamento de uma sonda não tripulada movida a

energia solar. Esta sonda foi a que se afastou mais do Sol, bem com a que obteve a maior

velocidade atingida. O tecido fotovoltaico consiste numa ideia inovadora que reúne a

indústria têxtil e a nanotecnologia. É uma fibra ótica constituída por silício, tendo assim a

mesma função que uma célula fotovoltaica. Apesar de ser um projeto ainda em

desenvolvimento, espera-se que se atinja os 4% de rendimento na conversão. Por fim, o

World Solar Challenge consiste numa competição de carros elétricos movidos

essencialmente a energia solar. Estes carros são equipados por uma bateria que só tem

armazenada energia para 10% dos 3000 quilómetros em solo australiano. Para o resto da

prova, utilizam os painéis fotovoltaicos que os constituem para conversão de energia.

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Energias Solares e aplicações futuras 3

Palavras-Chave

● Energia renovável

● Fontes de energia

● Efeito fotovoltaico

● Célula solar

● Rendimento

● Sustentabilidade

● Telha fotovoltaica

● Vela solar

● Sonda

● Júpiter

● Flexibilidade

● Adaptação

● Desenvolvimento

● Carro

● Aerodinâmica

● Design

● Rendimento

● Criatividade

● Desempenho

● Otimização

● Políticas de energia

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Energias Solares e aplicações futuras 4

Agradecimentos

Após a realização deste relatório, a nossa equipa acha crucial agradecer a certos

membros da comunidade educativa da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.

Primeiramente, gostaríamos de agradecer ao professor Abílio de Jesus, que na

posição de professor supervisor da unidade curricular, esteve bastante presente para nos

ajudar a clarificar as ideias, tirar eventuais dúvidas e dar a sua opinião relativamente ao

projeto.

De seguida, consideramos necessário agradecer ao nosso monitor Rúben

Madureira, que se encarregou de nos disponibilizar toda a informação necessária acerca de

datas, e de as relembrar ao longo do tempo de realização do projeto, bem como pelo facto

de despender do seu tempo para nos ajudar na realização deste projeto com bastante

empenho.

Para a professora Teresa Duarte, achamos que deve também ser feito um

agradecimento, dado que apesar de não ser a professora supervisora do projeto na turma

em que estamos inseridos, fez questão de, na unidade curricular em que é regente, se

colocar à disposição para esclarecer dúvidas a todas as equipas do projeto, bem como de ir

informando dos prazos para a entrega dos documentos.

Gostaríamos, ainda, de agradecer a todos os oradores que durante a semana da

receção aos novos estudantes (“FEUP Orienta-te!”) tiveram o objetivo de partilhar do seu

conhecimento com todos nós.

Por último, mas não menos importante, achamos relevante agradecer à FEUP pela

oportunidade que nos é dada pela unidade curricular “Projeto FEUP”, dado que esta

contribui para a integração dos estudantes, para o aumento da capacidade de trabalho em

equipa, pelas competências a nível de realização de documentos de texto e as de

realizações de apresentações orais.

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Energias Solares e aplicações futuras 5

Lista de Figuras e tabelas

Figura 1. Efeito fotovoltaico: formação das camadas n e p num semicondutor.

Figura 2. Primeira aplicação da célula solar de silício, em 1955, na Georgia.

Figura 3. Painel fotovoltaico.

Figura 4. Coletor solar.

Figura 5. Mapa com as taxas de insolação na Europa.

Figura 6. Percentagens das fontes de energia usadas para a conversão de eletricidade,

em Portugal, em 2016, no período de janeiro a setembro.

Figura 7. Central solar de Amareleja no Alentejo.

Figura 8. Aspeto de uma telha solar.

Figura 9. Imagem meramente ilustrativa da sonda Juno próxima de Júpiter.

Figura 10. Esquema onde se explica a forma como o tecido fotovoltaico é constituído.

Figura 11. Logótipo do evento World Solar Challenge.

Figura 12. “The Red Engine”, carro da equipa Solar Team Twente.

Figura 13. “eVe”, carro da equipa Sunswift.

Figura 14. Trajeto percorrido no World Solar Challenge, na Austrália.

Figura 15. Logótipo do Portugal Solar Challenge.

Tabela 1. Tabela com a percentagem do consumo de energia derivada da conversão de

energias renováveis e metas para 2020, na União Europeia.

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Energias Solares e aplicações futuras 6

Índice

1. Introdução 7

2. História das fontes de energia 8

3. Do primeiro coletor de luz solar aos paineis solares 10

4. Energia solar nos dias de hoje 13

4.1. Painéis Fotovoltaicos 13

4.1.1. Células de Silício Monocristalino 14

4.1.2. Células de Silício Policristalino 14

4.1.3. Células de Silício Amorfo 14

4.2. Coletores Solares 15

4.2.1. Coletor Plano 15

4.2.2. Coletores concentradores 16

4.2.3. Coletores concentradores parabólicos (CPC) 16

4.2.4. Coletores de tubos de vácuo 16

4.2.5. Coletores sem cobertura 16

5. Produção de energia solar em Portugal 18

6. Vantagens e Desvantagens 19

7. Projetos futurista com base na energia solar 20

7.1. Projeto Telhas Solares 20

7.1.1. Fabrico da Telha Fotovoltaica 20

7.2. Projecto Juno 21

7.2.1. Inovações de Juno 21

7.3. Tecido Fotovoltaico 22

7.4. World Solar Challenge 23

7.4.1. Challenger Class 23

7.4.2. Cruiser Class 24

7.4.3. Adventure Class 24

7.4.4. Definição da prova 24

8. Metas futuras das energias renováveis 26

9. Conclusões 29

10. Lista de referências bibliográficas 30

11. Lista de referências gráficas 31

34

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Energias Solares e aplicações futuras 7

1. Introdução

A energia é a “capacidade de produzir trabalho” [1] e pode ser dividida em dois

tipos principais: energia potencial e energia cinética. Neste contexto, energia potencial é a

energia responsável pela produção de movimento enquanto a cinética é, simplesmente, a

energia do movimento.

As fontes de energia podem ser classificadas como renováveis e não renováveis,

sendo que as fontes de energia renovável têm uma grande capacidade de renovação como,

por exemplo, a água corrente (energia hídrica), a decomposição de compostos orgânicos

(energia da biomassa), a luz solar (energia solar), o calor interno da Terra (energia

geotérmica) e o vento (energia eólica).

As fontes de energia não renovável têm reservas limitadas como é o caso dos

combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás natural) e do urânio.

Estas fontes de energia podem ser utilizadas para a produção de outros tipos de

energia, como é o exemplo de energia elétrica.

Nos dias de hoje, a conversão de energia solar em energia elétrica é feita através

de painéis fotovoltaicos ou painéis solares térmicos. As células fotovoltaicas, que constituem

os painéis fotovoltaicos, são os responsáveis pela transformação dos feixes solares em

eletricidade. Por outro lado, nos painéis solares térmicos “usam-se espelhos que

concentram a luz solar para aquecer um fluido, gerando vapor que faz rodar as pás de uma

turbina, criando um movimento de rotação do eixo do gerador que produz eletricidade” [2].

Após uma breve explicação de conceitos básicos, abordar-se-á um pouco de

história para que se entenda como foi possível chegar ao conceito de energia fotovoltaica,

como esta se torna numa fonte de produção de energia elétrica, as suas aplicações

quotidianas (equipamentos de produção de energia fotovoltaica e produção desta energia

em Portugal). Para além disso, as vantagens e desvantagens desta energia renovável não

podem ser ignoradas, muito menos os impactos que esta tem na atualidade

comparativamente com as outras formas de energia. Serão ainda explorados projetos

futuristas em que esta energia pode enveredar: projeto das telhas solares, projeto Juno,

projeto do tecido fotovoltaico e o World Solar Challenge. E, por fim, algumas metas futuras

para as energias renováveis serão explícitas.

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Energias Solares e aplicações futuras 8

2. História das fontes de energia

Nos primórdios da humanidade, o Homem descobriu o fogo como fonte de energia

para preparar a sua alimentação e aquecimento. Nesse momento, o Homem ainda não

sabia como produzi-lo e como podia domá-lo para seu próprio proveito. Deste modo, após o

primeiro fogo ter sido gerado por um raio que incendiou a vegetação, o Homem começou a

transportá-lo em troncos, para que este não se extinguisse.

Com a descoberta da forma de produção desta fonte de energia primária, tudo se

tornou mais simples. O uso do fogo tornou-se algo indispensável para o homem pré-

histórico. Este permitiu-lhe cozinhar os alimentos, aquecer-se e ainda obter iluminação

durante a noite e nas cavernas.

No Neolítico, ocorreu uma revolução a nível agrícola aquando da domesticação dos

animais, o que fez com que fosse gerada energia para que os carros primitivos adquirissem

movimento e fossem um auxílio nos trabalhos agrícolas. O Homem neolítico serviu-se ainda

do carvão como fonte de energia após ter aprendido a forma correta de o usar [3].

Durante a Idade Média, surgiu em grande escala uma outra fonte de energia. O

vento tornou-se na principal variável para que os navegadores europeus pudessem, pelo

mar, descobrir novas terras e continentes, o que melhorou a economia europeia, trouxe

vantagens a nível cultural e contribuiu para o desenvolvimento da humanidade. Para além

da contribuição para os Descobrimentos, o vento foi ainda crucial para que o Homem

pudesse transformar matérias-primas em produtos finais através dos moinhos de vento. É

de realçar que não foi apenas o vento que foi usado nos moinhos. Pela sua ação mecânica,

a água em forma corrente também adquiriu um papel importante nesse meio.

Séculos mais tarde, durante a Revolução industrial, a descoberta da forma de

transformação de energia térmica em energia mecânica tornou possível o desenvolvimento

das máquinas a vapor, que tiveram a combustão da madeira como fonte de energia inicial.

Com o passar dos anos, ocorreu uma evolução a nível do combustível sendo que este

passou a ser o carvão (combustível fóssil). Esta fonte de energia era mais fácil de

acondicionar durante o transporte, no entanto só era passível de ser utilizado em grandes

veículos, como barcos e comboios. Para os automóveis, a fonte de energia utilizada era o

petróleo, dado que devido à sua fluidez, podia facilmente circular pelo tubos e tanques.

“O sistema de transporte usado hoje em dia evoluiu como resultado do

desenvolvimento dos motores de combustão interna” [4].

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Energias Solares e aplicações futuras 9

Os motores de combustão interna transformam a energia proveniente de reações

químicas em energia mecânica. Por outro lado, a eletricidade, gerada a partir de

combustíveis fósseis ou através de fontes de energia renováveis, levou à criação dos

motores elétricos que armazenam e fazem a distribuição da energia elétrica. Assim, as

fontes de energia conhecidas até ao momento tornaram-se em fontes meramente primárias,

necessárias apenas para a produção de um outro tipo de energia (secundária) que é a

necessária para a geração do trabalho.

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Energias Solares e aplicações futuras 10

3. Do primeiro coletor de luz solar aos painéis solares

No que respeita à energia solar como uma fonte primária de energia para a

produção de eletricidade, pode dizer-se que é uma ideia que remonta para finais do século

XIII. O primeiro coletor de energia solar foi obra do cientista suíço Horace de Saussure, que

o construiu para posterior utilização deste por John Herschel para cozinhar durante uma

viagem à África do Sul no ano de 1830.

“O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmond

Becquerel que verificou que placas metálicas, de platina ou prata, mergulhadas num

eletrólito, produziam uma pequena diferença de potencial quando expostas à luz” [5].

Este dá-se por movimentação de eletrões de valência num semicondutor quando

neste incide radiação solar. Pela dopagem, ou seja, pela inserção de substâncias estranhas

no semicondutor (por exemplo, o silício), são criadas duas superfícies no semicondutor: uma

camada tipo n e uma camada tipo p. Estas camadas diferem pela existência em excesso de

cargas positivas na camada p e de cargas negativas na camada n. A camada p tem um

excesso de cargas positivas, pois há um átomo de silício que possui um eletrão de valência

livre para estabelecer ligação covalente (lacuna), enquanto na região n, existe um excesso

de cargas negativas pois existe um eletrão de valência na substância estranha que não

estabelece ligação covalente (eletrão livre). Juntando as superfícies n e p, gera-se um

campo elétrico. A absorção da radiação solar pelos eletrões e posterior conversão desta

energia em energia elétrica [6].

Com a descoberta da fotocondutividade do selénio, no ano de 1873 por Willoughby

Smith, tornou-se possível que, em 1877, W. G. Adams e R. E. Day (inventores norte

americanos) desenvolvessem um aparelho que procedia à produção de energia elétrica

quando exposto à luz.

Em 1905, Albert Einstein descreveu o fotoelétrico, razão pela qual lhe foi atribuído o

Prémio Nobel da Física em 1921 [7].

Figura 1. Efeito fotovoltaico: formação das camadas n e p num semicondutor.

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Energias Solares e aplicações futuras 11

Assim, a partir do ano de 1953, quando Calvin Fuller criou uma barra de silício com

pequenas concentrações de gálio (que tornam o silício condutor), sugeriu ao seu colega

Gerald Pearson que mergulhasse essa barra em lítio quente. Durante a análise da amostra,

Pearson verificou que esta produzia corrente elétrica quando exposta à luz. A primeira

célula solar feita de silício foi criada, e com a vantagem de uma maior taxa de conversão do

que uma célula de selênio, com cerca de 6% de rendimento (um valor bastante alto para a

época). Com o passar dos anos novas ideias foram surgindo o que tornou a célula

fotovoltaica de silício um produto apetecível para a produção de energia elétrica. No

entanto, devido aos altos custos de produção, decidiu-se que estas só poderiam ser

utilizadas em aplicações muito específicas, nomeadamente em satélites espaciais. Apesar

desta ideia, a célula solar de silício foi primeiramente aplicada como fonte de alimentação

para uma rede telefónica, em 1955, nos Estados Unidos da América, mais concretamente,

Georgia.

Até aos anos sessenta, a utilização das células solares era exclusiva para projetos

espaciais, e deste modo, começou a haver uma grande evolução destas no sentido de se

acompanhar a corrida espacial. No entanto, começou a haver uma evolução a nível do

preço, que cada vez se tornou maior. A produção de células solares para uso terrestre pela

SOLAREX (empresa americana de Jospeh Lindmayer) tornou-se possível ainda nessa

década.

Figura 2. Primeira aplicação da célula solar de

silício, em 195, na Georgia.

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Energias Solares e aplicações futuras 12

Com a consciência de que a queima de combustíveis fósseis contribuía em grande

escala para a as alterações climáticas, começou a dar-se mais valor às energias renováveis,

nomeadamente à energia solar. Assim, no ano de 1982, na Califórnia foi criada a primeira

central de solar com elevadas dimensões. Para além disso, desenvolveu-se a consciência

de que para além do progresso a nível da taxa de eficiência das células, era necessário

também reduzirem-se os custos de produção. Percebeu-se que estes custos poderiam ter

um decréscimo se se fabricassem mais células solares, ou seja, produções em grande

escala [8].

Deste modo, nos dias de hoje, a investigação no ramo da energia solar centra-se

em formas de aumentar o rendimento da conversão energética e de arranjar materiais onde

se possam aplicar as células solares.

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Energias Solares e aplicações futuras 13

4. Energia solar nos dias de hoje

Hoje em dia, o aproveitamento da energia solar encontra-se em constante

evolução, sendo inúmera a quantidade de projetos que visa o melhoramento da produção

da energia elétrica. No entanto, destacam-se dois tipos de tecnologia que realizam o

aproveitamento da energia solar, seja por transformação em energia elétrica ou por

aquecimento de fluidos.

4.1. Painéis Fotovoltaicos [9]

Os painéis solares são uma tecnologia de produção de energia elétrica através da

energia solar, que se baseia no efeito fotoelétrico.

Este é um equipamento cuja utilização tem evoluído muito, e tudo indica que

continue a crescer. De facto, o painel fotovoltaico é a chave de quase todo o

desenvolvimento das aplicações da energia solar, porque hoje em dia, a energia elétrica é

fundamental.

Os painéis são constituídos por um conjunto de várias células fotovoltaicas ligadas

em série, e é nelas que se processa o efeito fotoelétrico. É na composição destas células

que se distinguem os tipos de painéis, dos quais se destacam alguns.

Figura 3. Painel fotovoltaico.

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Energias Solares e aplicações futuras 14

4.1.1. Células de Silício Monocristalino

Este tipo de células são as que são usadas há mais tempo, no entanto, são a

tecnologia mais cara. São obtidas através de processos complexos, uma vez que o mineral

de silício é utilizado com uma estrutura cristalina bem definida, o que contribui para o preço

final deste equipamento. No entanto, são estas células que obtém o melhor resultado na

conversão elétrica, chegando o seu rendimento até 15%.

4.1.2. Células de Silício Policristalino

Nestas células, o mineral não é trabalhado tão rigorosamente, e por consequência

os processos são menos complexos. Isto implica uma redução não só no preço, como

também no rendimento, sendo atribuídos para este tipo de equipamento valores à volta dos

12,5%.

4.1.3. Células de Silício Amorfo

Este último tipo de célula é o mais utilizado, não só por ter um baixo custo, mas

também porque pode ser utilizado para painéis de grande área e também porque tem uma

estrutura que permite a sua fácil utilização como material de construção. A utilização do

silício com uma baixa organização estrutural faz com que os processos de fabrico sejam

mais rápidos, fáceis e baratos. Porém, o rendimento da célula é baixo, na ordem dos 8% a

10%, e a eficiência tende a baixar ao longo do tempo de utilização.

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Energias Solares e aplicações futuras 15

4.2. Coletores Solares [10]

Os coletores solares são equipamentos que têm o objetivo de transformar a energia

solar em energia térmica, e transferi-la com o melhor rendimento possível para a água.

Assim, este tipo de tecnologia é muito utilizada para o aquecimento de águas domésticas,

tendo também outras aplicações. Normalmente, um coletor solar é constituído por placas

coletoras, que transformam a energia solar, e um reservatório térmico, onde se armazena a

água quente. Porém, não existe apenas um tipo de coletor. Mediante a sua aplicação,

surgiram vários tipos diferentes de coletor.

4.2.1. Coletor Plano

É o tipo de coletor solar mais comum. Por ter como principal destino a produção de

água quente a temperaturas inferiores a 60ºC, é a escolha habitual para o uso doméstico de

aquecimento de águas.

A sua estrutura é também a base de desenvolvimento dos outros tipos de coletor,

sendo constituídos por:

● Uma cobertura transparente, para reduzir as perdas de calor, criando efeito estufa.

● Uma placa de absorção, que recebe a energia solar e a transforma em calor,

transmitindo esse calor para os fluidos que circulam nos tubos.

● Uma caixa isolada, que pelo seu isolamento térmico, evita perdas de calor.

Também confere rigidez, para além de proteger o interior do coletor de agentes

externos.

Figura 4. Coletor solar.

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Energias Solares e aplicações futuras 16

4.2.2. Coletores concentradores

Os coletores concentradores foram concebidos para obter temperaturas mais

elevadas, através do aumento da concentração. De facto, é daí que vem o nome de

coletores concentradores, uma vez que a concentração é a relação entre a área de

captação de radiação solar e a área de receção.

No entanto, à medida que a concentração aumenta, o ângulo mínimo de incidência

da radiação para ser captada diminui, por isso o coletor deve manter-se perpendicular à

inclinação da radiação, seguindo a trajetória do sol. Os mecanismos associados a este

processo são, para além de complicados, bastante caros, o que, a par da captação única da

radiação perpendicular ao coletor, constitui uma desvantagem deste equipamento.

4.2.3. Coletores concentradores parabólicos (CPC)

Estes concentradores resultam de uma combinação das propriedades dos

coletores planos e dos coletores concentradores, na medida que conseguem ter

praticamente a mesma aplicação que os coletores planos mas produzindo temperaturas

mais elevadas. Estas temperaturas que chegam a mais de 70ºC são obtidas graças à

geometria inovadora da superfície de absorção, em que a sua forma de acento circunflexo

permite a melhor receção das radiações refletidas pela superfície refletora.

4.2.4. Coletores de tubos de vácuo

Os coletores de vácuo são utilizados para obter temperaturas superiores a 90ºC

com um bom rendimento. O material usado na sua construção e até mesmo o vácuo no

interior dos tubos contribuem para este rendimento, tornando possível a obtenção de

energia nas zonas de fraca exposição solar, nos dias de maior nebulosidade e até com

temperaturas ambiente negativas. É também resistente ao vento, à chuva e ao impacto.

4.2.5. Coletores sem cobertura

Estes coletores são usados para o aquecimento de piscinas e também de água

potável. Têm uma vantagem em relação aos outros tipos de coletor, que é o facto de a placa

de absorção substituir a cobertura do telhado, sendo facilmente adaptável aos contornos e

estrutura deste. É também de instalação fácil e económica. No entanto, devido ao seu baixo

rendimento, para obter uma mesma energia é preciso uma maior área de superfície de

absorção que os restantes coletores.

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Energias Solares e aplicações futuras 17

5. Produção de energia solar em Portugal

Dentro dos países da Europa, Portugal é o país com a maior taxa de insolação de

toda a Europa, com a exceção do Chipre. No entanto, ainda não é uma realidade que esta é

a mais utilizada para a produção de energia elétrica [11].

Pela análise do seguinte gráfico da produção de eletricidade em Portugal de janeiro

a setembro de 2016, entende-se que apesar da taxa de insolação ser bastante elevada, não

existe um bom aproveitamento dessa elevada quantidade de energia. Para além disso,

entende-se que, em Portugal, existe uma sensibilização para que exista um maior

aproveitamento da energia renovável. Este facto é facilmente identificado dado que a taxa

percentual de energia elétrica produzida através de energias renováveis é de 64%.

Figura 5. Mapa com as taxas de insolação na Europa.

Figura 6. Percentagens das fontes de energia usadas para a conversão de eletricidade, em Portugal, em 2016, no período

de janeiro a setembro.

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Energias Solares e aplicações futuras 18

Apesar de tudo isso a percentagem de energia final consumida no país, tem uma

taxa muito mais reduzida para a energia de origem renovável (está na ordem dos 27%). Nas

metas para o ano de 2020, espera-se que 31% de toda a energia consumida seja de origem

renovável, nomeadamente a energia para a produção de eletricidade que pode ser ainda

utilizada em meios de transporte, e a energia para a variação de temperatura de edifícios

[12].

Em Portugal, mais concretamente no Alentejo, está localizada a maior central

fotovoltaica do mundo com seguidores solares, isto é, os painéis fotovoltaicos instalados

têm a capacidade de “acompanhar automaticamente a trajectória do sol sobre o horizonte

em cada dia do ano e, desse modo, otimizar a produção de energia” [13]. Esta central de

grande envergadura localizada no município de Amareleja, ligada à rede em 2008, tem

capacidade de produção de 93 milhões de quilowatts por hora (kWh), com uma potência

máxima de 45,78 megawatts. Analisados os números, conclui-se que com toda esta energia

elétrica gerada, é possível de sustentar cerca de 30.000 lares portugueses, e reduzir em

grande capacidade as quantidades de dióxido de carbono libertado [14].

Figura 7. Central solar de Amareleja no Alentejo.

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Energias Solares e aplicações futuras 19

6. Vantagens e Desvantagens

Há vários fatores a ter em conta quando se tem que optar por um conjunto de

formas de obter energia. No entanto, há particularidades boas e más na energia fotovoltaica

e cabe ao homem compará-las com as outras formas de energia e optar pela que será mais

adequada ao meio onde será aplicada. Pelo lado das vantagens, tem-se que a energia

fotovoltaica é renovável, abundante e sustentável, visto que é obtida a partir do sol, ou seja,

é sempre possível obtê-la desde que haja emissão solar. Adicionalmente, é uma energia

amiga do ambiente pois não tem emissões de dióxido de carbono.

Esta forma de obter energia tem inúmeras aplicações pois pode ser utilizada para

gerar eletricidade onde não há outra fonte de energia prévia, por exemplo aquecer um

montanhista no topo de uma montanha, ou tornar potável a água em África. Do ponto de

vista mais prático, como todas as outras energias renováveis, tem bastante apoio

governamental, mas ao contrário de outras formas de obter energia como a energia eólica, a

energia solar é silenciosa, não causando qualquer poluição sonora e não tendo a

necessidade de muita manutenção nos painéis solares. Estão-se a fazer avanços

tecnológicos constantes na indústria da energia solar de modo que, no futuro, se aumente o

rendimento dos painéis solares, e consequentemente estabilizando a relação preço/energia

para um nível muito mais apelativo

Apesar de ser uma energia renovável e de ser achar que estas não têm falhas, isso

é mentira, pelo que existem muitas desvantagens a si associadas. Primeiramente, debruce-

se acerca da realidade inquestionável do preço associado a esta energia: o custo dos

painéis solares e os custos associados ao armazenamento de energia. Apesar de, com os

apoios crescentes do governo, este custo estar a diminuir bastante, não é por isso que

deixam de haver forças de atrito vindas de interesses políticos.

Outro aspeto mau é a intermitência da fonte de energia, devido ao facto de esta ser

de acesso limitado ao período diurno. A produção dos painéis solares é outro problema.

Alguns processos de produção estão associados a emissões de gases de efeito estufa (o

que significa que o transporte e instalação podem significar poluição, indiretamente) ou ao

uso de materiais raros na natureza. Finalizando, dado o seu baixo rendimento, a energia

solar necessita de espaço para garantir a potência demandada.

Em suma, não há nenhuma maneira de obter energia que seja completamente

segura, mas a energia solar é mais favorável em comparação com as outras tecnologias

[15].

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Energias Solares e aplicações futuras 20

7. Projetos futuristas com base na energia solar

7.1. Projeto Telhas solares

A utilização de energia solar tem trazido vários desafios à engenharia nos últimos

anos, dado que os engenheiros para além de desejarem melhorar o aspeto visual dos

sistemas, ainda têm de otimizar a performance destes, pois há sempre a possibilidade de

evoluir. A ideia da criação de uma telha solar surgiu da estrutura inconveniente dos painéis

solares que para além de ocuparem muito espaço, são pesados e pouco estéticos. Assim, o

conjunto de todas as telhas funciona como um autêntico painel solar, mas com aspetos

positivos ao nível da estética e da economia de espaço [16].

7.1.1. Fabrico da Telha Fotovoltaica

A telha é fabricada em cerâmica e são equipadas com quatro células fotovoltaicas.

Por baixo de cada, há um conector e a cablagem, podendo-se ligar à estrutura e daí ao

conversor. Esta telha fotovoltaica é capaz de substituir os painéis tradicionais de captação

da luz do sol, pois tem a capacidade de gerar cerca de 3kW de energia numa área de 40m².

Quer isto dizer que, numa área de um telhado completo as necessidades energéticas de

uma casa podem ser facilmente suprimidas.

Figura 8. Aspeto de uma telha solar.

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7.2. Projecto Juno [17]

O projeto Juno tem como objetivo estudar a atmosfera de Júpiter e o estado físico

do núcleo deste planeta com o intuito de se saber mais sobre a origem de Júpiter e de

outros planetas. Isto será alcançado através de uma sonda não tripulada denominada Juno

que irá orbitar em torno de Júpiter até completar 37 voltas completas, num tempo estimado

até 2018, enviando para a terra informações sobre este planeta, encontrando-se neste

momento na sua segunda órbita.

Juno descolou para fora da atmosfera terrestre no dia 5 agosto de 2011, e entrou

na órbita de Júpiter no dia 4 de julho de 2016, iniciando assim a sua primeira de 37 órbitas

em torno deste planeta criadas estrategicamente para esta nave espacial não passar pela

face de Júpiter que não está a ser iluminada pelo sol naquele momento.

Juno é uma sonda espacial movida a energia solar que veio revolucionar o ramo

das missões espaciais. Constituída por três painéis solares com 9 metros de comprimento e

alcançando um total 18000 células fotovoltaicas, é capaz de produzir a energia essencial

para Juno viajar até Júpiter e depois efetuar as 37 órbitas previstas, mesmo sendo a

intensidade da radiação incidente em Júpiter 25 vezes menor que na Terra [18].

7.2.1. Inovações de Juno

Juno foi a nave movida a energia solar que se afastou mais do sol (mais de 800 mil

quilómetros até ao momento), a primeira nave, das nove missões anteriores a Júpiter, cuja

fonte de energia é proveniente do sol e a nave que atingiu a maior velocidade de sempre

(250000 km/h).

Figura 9. Imagem meramente ilustrativa da sonda Juno próxima de Júpiter.

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Figura x- Representação de como o tecido fotovoltaico é constituido.

7.3. Tecido Fotovoltaico

Este projeto, que alia fibras têxteis à nanotecnologia, irá permitir uma integração

mais compacta de geradores de energia em locais, instrumentos, sistemas e estruturas

onde nunca seria possível com as atuais tecnologias fotovoltaicas.

Este “tecido” é uma fibra ótica (com menos espessura que um cabelo) baseada em

silício que tem a utilidade de uma célula fotovoltaica possuindo um componente eletrónico

associado a ela. Para tal, usam-se técnicas químicas de alta pressão para depositar

materiais semicondutores diretamente na fibra ótica, como mostra a imagem [19].

Estas fibras poderão ser úteis para vários fins como o carregamento de baterias de

aparelhos eletrônicos, o abastecimento de sensores de produtos químicos e de sistemas

biomédicos, que atualmente ainda não é possível. Concluindo, será assim desenvolvido um

novo tecido com capacidades fotovoltaicas, flexíveis, aplicável e prático que facilitará a

obtenção de energia em locais onde previamente não se poderia.

Figura 10. Esquema onde se explica a forma como o tecido fotovoltaico é constituído.

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Este projeto ainda está em vias de desenvolvimento: a finura, a resistência e o

desempenho elétrico ainda precisam de ser otimizados, mas o objetivo é obter um

rendimento de 4%. [20]

7.4. World Solar Challenge [21]

O World Solar Challenge é mais um exemplo de

iniciativas e projetos de aproveitamento da energia solar.

Este evento consiste numa competição de carros

elétricos movidos essencialmente a energia solar. Estes

carros são equipados com uma bateria cuja energia

armazenada apenas dura para cerca de 10% da prova,

mostrando-se deste modo a energia solar fulcral para o

carregamento contínuo da bateria e finalização da prova.

De facto, o evento visa estimular a imaginação, criatividade e força de vontade para

se alcançar aquilo que muitos já imaginaram, uma utopia em que os transportes utilizem a

energia limpa, como é o caso da energia solar.

Assim, o evento inclui 3 classes, cada uma com o seu tipo de regras relativamente

às dimensões do carro, dos painéis solares, número de rodas e ocupantes.

7.4.1. Challenger Class

Challenger Class é a classe mais cobiçada, em que o principal objetivo é obter o melhor

rendimento energético e a melhor relação com o desempenho do carro. Aqui, é também

incentivada a criatividade no design, o que permite relacionar várias variáveis da estrutura

do carro com a otimização do seu desempenho.

Figura 11. Logótipo do evento

World Solar Challenge.

Figura 12. “The Red Engine”, carro da equipa Solar Team Twente.

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7.4.2. Cruiser Class

Cruiser Class é uma categoria para testar o desenvolvimento do aproveitamento da

energia solar no que toca aos transportes. É talvez a classe mais futurista, em que é

esperado pela direção do evento a apresentação de veículos de transporte efetivo com um

bom desempenho e com um bom design de mercado, ou seja, é suposto os carros terem

um aspeto de comercialização.

7.4.3. Adventure Class

Adventure Class é para aqueles que não se encaixam no perfil das duas primeiras

categorias, bem como para os veículos que já participaram em edições anteriores. Assim, é

dada a estes participantes a oportunidade de realizarem este desafio, adicionando deste

modo um carácter lúdico à prova, visando instigar a evolução mesmo entre aqueles que não

tem os seus projetos tão evoluídos.

7.4.4. Definição da prova

Para todos os participantes, o objetivo é

percorrer cerca de 3000 quilómetros de solo australiano,

desde a cidade de Darwin até Adelaide. Para realizar

este percurso, é necessária uma grande quantidade de

energia, mas a capacidade máxima permitida da bateria

do carro é de 5 kWh, o que corresponde a

sensivelmente 10% da energia necessária. Assim, é

necessária uma fonte de energia para alimentar esta

bateria, que neste caso é o Sol. Como a maior parte

deste percurso é realizado pelo deserto Australiano,

Figura 14. Trajeto percorrido no World Solar Challenge, na Austrália.

Figura 13. “eVe”, carro da equipa Sunswift.

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estão assim asseguradas as condições solares necessárias para completar o desafio.

De facto, foi em 1982 que Hans Tholstrup e Larry Perkins atravessaram a Austrália

pela primeira vez com um carro solar. Devido a este feito, estes homens instigaram outros a

fazer o mesmo e assim nasceu o conceito do World Solar Challenge.

Hoje em dia, com apenas 6 m2 de painéis solares permitidos no carro, todas as

pessoas são desafiadas a completar esta prova, havendo uma forte participação de

universidades, instituições tecnológicas e até mesmo empresas de todo o mundo.

A evolução do desempenho dos carros é notória, pois na primeira prova realizada

em 1987, o primeiro classificado demorou 44h e 54min a concluí-la, com uma velocidade

máxima de 66.92 Km/h, enquanto na última edição, em 2015, o carro vencedor concluiu a

prova em 37h e 56min, atingindo os 91.75 Km/h.

Assim, o que começou por ser um desafio lúdico tornou-se uma das principais

provas e mostras de carros solares, bem como das evoluções das aplicações da energia

solar em geral.

Acerca do “World Solar Challenge”, Chris Selwood afirma: “Primarily a design

competition to find the world’s most efficient electric car, the biennial World Solar Challenge

seeks to inspire some of the brightest young people on the planet address the imperatives of

sustainable transport.” [22]

Um forte exemplo do impacto desta iniciativa é o surgimento de outras competições

baseadas no mesmo conceito em múltiplos países de vários continentes, como por

exemplo, em Portugal, o Portugal Solar Challenge, organizado pela Faculdade de Ciências

da Universidade de Lisboa.

Figura 15. Logótipo do Portugal Solar Challenge.

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Energias Solares e aplicações futuras 26

8. Metas futuras das energias renováveis

Existem metas a nível governamental para, até um ano específico, uma

percentagem da eletricidade que é utilizada pelas populações ser proveniente de energias

renováveis. Apesar de esta percentagem de eletricidade não ser completamente derivada

da energia solar, é uma boa parte e portanto qualquer meta não deixa de ser uma meta

associada.

O objetivo é diminuir o consumo de combustíveis fósseis e aumentar o consumo de

energias renováveis. Apesar de isto poder resultar num aumento do preço da eletricidade, o

preço é compensado pelo aumento de outras taxas, para poder manter a eletricidade

acessível. Pelo menos 67 países a nível mundial têm políticas de energia. Na tabela 1,

pode-se analisar a percentagem da energia consumida que deriva de energias renováveis

em 27 países da UE em 2012 e o seu objetivo para o ano de 2020. [23]

Tabela 1. Tabela com a percentagem do consumo de energia derivada da conversão de energias

renováveis e metas para 2020, na União Europeia.

País

Energias Renováveis em 2012 (%)

Objetivo para 2020 (%)

Áustria 32.1 34.0

Bélgica 6.8 13.0

República Checa 11.2 13.0

Dinamarca 26 30.0

Finlândia 34.3 38.0

França 13.4 23.0

Alemanha 12.4 18.0

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Energias Solares e aplicações futuras 27

Grécia 11.6 18.0

Hungria 9.6 13.0

Irlanda 7.2 16.0

Itália 13.5 17.0

Luxemburgo 3.1 11.0

Holanda 4.5 14.0

Polónia 11.0 15.0

Portugal 24.6 31.0

Eslováquia 10.4 14.0

Espanha 14.3 20.0

Suécia 51.0 49.0

Reino Unido 4.20 15.0

Chipre 6.80 13.0

Malta 1.40 10.0

Bulgária 16.3 16.0

Eslovénia 20.2 25.0

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Lituânia 21.7 23.0

Roménia 22.9 24.0

Latvia 35.8 40.0

Estónia 25.9 25.0

Média: 16.7 21.4

Desta tabela pode-se concluir que Portugal está acima da média em 2014, o que é

bom de um certo ponto de vista, mas esta situação deve ser vista na sua globalidade. A

contribuição deve ser feita por todos os países de modo a atingir o objetivo de uma média

de 21.4 % de energia produzida proveniente de energias renováveis. Contudo, há que ter

em consideração o facto de alguns países terem mais disponibilidade acesso às energias

renováveis do que outros dadas as suas circunstâncias, como por exemplo a localização

geográfica.

Para cumprir estes objetivos, a união europeia está a apelar aos estados membros

o investimento nestas energias. O Comissário europeu para a Investigação, Ciência e

Inovação indica que na europa se investe cerca de 280 mil milhões de euros na

investigação, ciência e inovação. O futuro é incentivar os países a investir na investigação e

ciência em vez de subsidiar as fontes de energia fósseis.

A energia solar está rapidamente a tornar-se mais barata. No futuro irá permitir a

eletrificação de áreas remotas e ajudará também a proteger o clima, dada a diminuição do

uso de combustíveis fósseis. Ainda assim, apesar de ajudar a proteger o clima, o lucro

obtido através do aumento da eficiência da distribuição energética e, quando necessário,

armazenamento, reduz os custos da produção de energia.

Assim, estima-se que o custo da energia solar continue a diminuir, e em cerca de

dez anos, será produzido por todo o mundo a um preço de 4-6 cêntimos por KWh. [24]

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9. Conclusões

Após esta análise, fica claro que a energia solar e o seu aproveitamento têm um

potencial enorme. De facto, num mundo em que a poluição é cada vez uma preocupação

maior, é necessário encontrar outras soluções para o suprimento das necessidades

energéticas do planeta. Ficou aqui demonstrado que as energias renováveis,

nomeadamente a energia solar, estão a evoluir e cada vez existem mais engenheiros que

se dedicam ao melhoramento das aplicações desta energia e do rendimento das

conversões. O estado atual do planeta suscita cada vez mais a preocupação com a

sustentabilidade e com a procura de “energias limpas” instigando a procura de soluções,

sendo o assunto que abordamos neste trabalho de extrema importância.

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Energias Solares e aplicações futuras 30

10. Lista de referências bibliográficas

[1]. Infopédia, Dicionários Porto Editora

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[5]. Becquerel, E., 1839, Memoires sur les effets electriques produits sous l'influence des

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[10]. URL: http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/sistemas-de-

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[14]. URL: http://www.sistemamid.com/panel/uploads/biblioteca/2015-04-26_12-53-

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[15]. URL: http://energyinformative.org/solar-energy-pros-and-cons/

[16]. URL: https://pplware.sapo.pt/informacao/empresas-desenvolvem-telhas-que-sao-

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[17]. URL: http://www.space.com/31614-nasa-jupiter-mission-solar-power-record.html

[18]. URL: http://www.space.com/31614-nasa-jupiter-mission-solar-power-record.html

[19]. URL: http://www.ecycle.com.br/component/

[20]. URL: http://www.portugaltextil.com/tecidos-solares/

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[22]. Selwood, Chris: “O World Solar Challenge.Aventura.Inovação.Conquista.”

https://www.worldsolarchallenge.org/

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Energias Solares e aplicações futuras 31

[23]. URL: http://www.dn.pt/sociedade/interior/carlos-moedas-quer-mais-investimento-

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[24]. URL: http://energytransition.de/2015/05/the-solar-price-revolution/

11. Lista de referências gráficas

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Figura 2. URL: http://web.ist.utl.pt/palmira/solar.html

Figura 3. URL: http://www.sunenergy.eco.br/images/componentes_modulos.jpg

Figura 4. URL: http://www.paulucyeletros.com.br/blog/wp-

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Figura 12. URL: http://www.inmarsat.com/about-us/sponsorship/world-solar-challenge/

Figura 13. URL: http://www.computationalfluiddynamics.com.au/wp-

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Figura 14. URL: http://www.solarnovus.com/world-solar-challenge-2013-racing-through-the-

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Tabela 1. URL: http://energytransition.de/files/2015/08/eurenewableshares.png