física - energia 03 - energia solar vii

8/14/2019 Física - Energia 03 - Energia Solar VII

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ENERGIA SOLAR SOCIOLOGIA E LEGISLAÇÃO

PROF. MAURÍCIO MOTTA

1. Definição de energia e seus diferentes tipos

Em um significado amplo, a Física é o estudo da natureza, entendendo como tal tudo aquilo queexiste por si no universo, independentemente da própria existência do ser humano.

Dentro deste conceito, existem os entes ou acontecimentos que são suscetíveis de serem vistos ousentidos, e que podem ser comparados com outros de uma forma possível em que se possa expressarnumericamente esta relação, ou seja, os fenômenos medíveis. Agrupando-se estes fenômenos segundosua espécie ou classe, chegamos ao conceito de grandeza.

Como exemplo de grandezas fundamentais podemos relacionar o tempo, o espaço, a massa, aintensidade de corrente elétrica, a temperatura absoluta e a intensidade luminosa. Ao fazermos acomparação ou a relação entre estas, vem a necessidade de se definir um conceito geral que possaexpressar estas relações de uma forma sistemática, para que seja possível estudá-las e explorá-las de

acordo com nossas necessidades. A este conceito dá-se o nome de energia.A energia pode ser definida como a capacidade de produzir ou a capacidade se realizar umtrabalho. A energia não se cria do nada; ela já existe em nosso universo e o que ocorre é a suatransformação de uma forma para outra ou outras. Atômica ou nuclear, cinética, potencial, calorífica oucalorífera, elétrica, radiante, química, mecânica, luminosa, geotérmica, eólica e solar são alguns exemplosde tipos de energia atualmente conhecidos.

A primeira explosão de fusão de hidrogênio no mundo foi causada pelo

mesmo processo que produz a energia do sol [6]1.1 - Tipos de energia mais utilizados pela humanidade

Atualmente as fontes primárias de energia em nosso planeta, isto é, os recursos do meio ambienteque são as fontes básicas de energia que utilizamos, são os combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gásnatural), e três tipos de energia elétrica: a hidroeletricidade, gerada pela queda d’água; a eletricidade deusinas nucleares e a eletricidade gerada pela energia geotérmica, que é o aproveitamento do calor dovapor ou da água quente provenientes das camadas subterrâneas da Terra. Atualmente já começa a



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aparecer uma quarta forma de geração de energia elétrica que é a eólica, mas que ainda representa umpercentual pequeno diante das formas mais tradicionalmente conhecidas.

Além destas formas mais comerciais e que representam mais de 90% de toda a energia geradapara uso da humanidade, existem outras fontes como a bioenergia, onde são aproveitados rejeitosorgânicos para a queima ou a geração de gás; a lenha e a turfa, que por representarem pouca utilizaçãoou baixo rendimento, ficaram conhecidas como fontes alternativas.

Dentro deste conceito vem também o aproveitamento da energia fornecida pelo Sol, que pode serutilizada de duas formas que são as mais úteis: para a produção de calor e para a produção de energia

elétrica. Ambas vêm sendo permanentemente estudadas e evoluindo ano após ano, e diante de umaperspectiva mundial de redução das fontes básicas de energia, têm grande possibilidade de virem a terum lugar de destaque em âmbito mundial.

2. Pequena história do Sol e algumas de suas características

A meros 8 minutos-luz de distância, ou 150 milhões de quilômetros, o Sol é a estrela mais próximade nosso planeta e a responsável pela manutenção de praticamente todas as formas de vida, com aspoucas exceções de alguns seres microscópicos que vivem próximos às zonas vulcânicas submersas,delas tirando seu sustento vital.

É uma estrela relativamente jovem, com cerca de 5 bilhões de anos de idade. Presume-se quedeva durar ainda outros 5 bilhões de anos, ou um pouco mais, até que comece sua caminhada para se

tornar uma gigante vermelha, fruto do excesso de resíduo de hélio em seu núcleo, quando se iniciarãoreações mais quentes e violentas anunciando o final de sua vida como fonte de energia.Esta transformação será o início do fim da vida desta estrela, época em que o planeta Terra já

deverá estar consumido por sua expansão, e acabará terminando sua vida ao fim de mais uns 40 bilhõesde anos depois disto, como uma estrela anã negra.

Uma representação do Sol, desde seu nascimento até sua morte. O intervalo de tempo entre cada imagem consecutiva é decerca de 80 milhões de anos. A seta mostra a posição atual do Sol em nosso tempo. [6]

2.1. Como o Sol produz energia

A origem da energia que o Sol produz e irradia está nas reações nucleares que se realizamininterruptamente em seu interior, a partir da monstruosa pressão existente em seu núcleo. Nestasreações, os átomos de hidrogênio, que é o elemento mais abundante do Sol, se combinam entre si paraformarem átomos de hélio. Ao mesmo tempo uma pequena parte da massa destes átomos se converte



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em energia, de acordo com a fórmula de Einstein E = mc 2, energia esta que flui de seu interior até asuperfície (fotosfera), sendo daí irradiada em todas as direções do espaço.

Apesar de o Sol também emitir partículas materiais, a maior parte da energia irradiada étransportada na forma de ondas eletromagnéticas (os fótons), em um amplo espectro de longitudes deonda diferentes.

Desenhos esquemático e em corte do Sol, mostrando sua estrutura e regiões internas [10]



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Fotos com sucessão de ampliações mostrando as zonas convectivas da superfície solar [10]

2.2. A energia que chega ao nosso planeta por radiação

Como o Sol é 334.000 vezes maior do que a Terra e pelo fato de a energia radiante se dispersar àmedida em que se afasta de sua fonte de emissão (aprendemos em física II que I = P 0 / 4π r2 ), a Terraacaba por receber somente dois milionésimos de toda a energia emitida por esta estrela. Mesmo assim,apenas quatro dias desta pequena fração podem ser comparados a toda a energia possível de serproduzida em nosso planeta por todas as fontes de combustíveis fósseis existentes. E se considerarmos aenergia total emitida pelo Sol, em um breve intervalo de um segundo ele irradia muito mais energia do quea foi consumida por toda a raça humana, desde o princípio de sua evolução até os nossos dias.

Fotomontagem mostrando os tamanhos relativos entre o Sole o nosso planeta [10]

3. Radiação ou energia radiante: do ultravioleta ao infravermelho

A maior parte dos fótons emitidos pelo Sol têm uma longitude de onda compreendida entre 0,3μme 3μm (1μm = 10-6m), sendo que somente as que se situam entre 0,4 e 0,7μm são captadas pelo olhohumano, formando o que se conhece por luz visível.



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Porém, a luz não visível emitida pelo Sol também transporta uma considerável parcela de energia,e deve ser levada em conta no estudo da energia solar.

Gráfico da radiação emitida pelo Sol, que chega ao nosso planeta. A curva sobre a área azulrepresenta a radiação medida sobre a atmosfera e a curva sobre a área amarela, a radiação

medida ao nível do mar. [8]

4. O céu azul e a aurora boreal: efeitos da radiação solar

- O azul do Céu

A luz que vemos quando olhamos o céu em um dia sem nuvens é o resultado da difusão da luzsolar, que vai sendo espalhada durante sua entrada na atmosfera por partículas de pó. O resultado destadifusão é um comprimento de onda mais predominante da luz azul. Se não houvesse nenhuma difusão(espalhamento em cores), toda a luz proveniente do Sol cairia em linha reta sobre a superfície da Terra eo céu apareceria escuro, como ocorre à noite ou na superfície da Lua.

Ao pôr-do-sol ou ao amanhecer, a luz solar que observamos percorre um caminho bem mais longoatravés da atmosfera terrestre do que a luz solar que vemos ao meio-dia. Nesse longo trajeto muitas coressão difundidas (e portanto retiradas do feixe de luz branca), sobrando para os nossos olhos parte doamarelo e luz vermelha. E são justamente essas as cores que vemos.

Dispersão da luz solar ao entrar na atmosfera terrestre [1]



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- As Auroras Polares

Os habitantes das altas latitudes são surpreendidos nas noites mais escuras por luzes'fantasmagóricas' de várias cores que se movem como arcos, nuvens ou cortinas. Na maior parte dasvezes é uma luz difusa e débil, mas uma vez a cada década pode chegar a ser tão intensa que projetasombras no chão. Partículas de alta energia emitidas pelo Sol são concentradas pelo campo magnético daTerra em determinadas áreas da atmosfera superior, excitando as moléculas dos gases, que brilham,aparentemente tentando antecipar a aurora. Por este motivo receberam o nome de Aurorae ou Aurora

Polar. O vento solar distorce o campo magnético da Terra induzindo correntes de dezenas de milhões deampères com um potencial de aproximadamente 50 000 volts, energia suficiente para iluminar um paísinteiro. Esta energia se descarrega pelas bordas do campo, gerando descargas que podem ser ouvidaspor alguns observadores.

A atividade do Sol tem relação direta com estas ocorrências. Um grande número de manchassolares pode desencadear o fenômeno. E se ele ocorre em uma determinada noite, é provável que serepita dentro de 27 dias, ou seja, após uma rotação do Sol. Durante uma tempestade magnética, prótons eelétrons de alta energia se chocam com as moléculas de oxigênio e nitrogênio, fazendo-as brilhar, comouma lâmpada de neon.

Dependendo de sua intensidade, este fenômeno pode ser visto até nas regiões temperadas, masestes casos são raros. Na maior parte das vezes o fenômeno ocorre entre as latitudes magnéticas 60º e

75º, e a 100 quilômetros acima da Terra, em ambos os hemisférios simultaneamente. Quando éobservado no hemisfério norte é chamado de Aurora Boreal, e no hemisfério sul, de Aurora Austral.

Aurora polar [10]

Fotografia tirada de satélite, mostrando a ocorrênciade auroras polares simultaneamente nos dois pólos do planeta [10]



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5. Importância da energia solar para o planeta

Além da mautenção das formas de vida, é a partir da energia do Sol que se dá a evaporação,origem do ciclo das águas, o que possibilita a alimentação dos rios e o seu represamento para a produçãode eletricidade ou para o consumo. A radiação solar também induz a formação dos ventos, o que permitea circulação atmosférica em larga escala por todo o planeta.

Ciclo das águas em nosso planeta [11]

6. Constante solar, Air Mass e as diferenças de radiação no planeta devido à latitude

Ao deslocar-se pelo espaço em todas as direções, a energia radiante procedente do Sol se reparteem uma superfície esférica hipotética, cujo centro é seu foco emissor. Assim, a intensidade de energia emum ponto desta superfície será cada vez menor, quanto maior for sua distância percorrida, ou maior for oraio desta esfera. A radiação medida por satélites artificiais em órbita da Terra chega a um valor de cerca

de 1367 W/m2 ou (1353 W/m2 segundo alguns autores), conhecido como Constante Solar. Este valor,porém, sofre algumas variações durante o ano, devido ao fato de a distância do nosso planeta ao Sol nãoser rigorosamente a mesma durante sua translação.



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A Constante solar e suas variações no decorrer dos anos [10]

Além da constante solar existe uma outra convenção utlizada em cálculos de dimensionamentodas instalações solares, denominada “Air Mass” ou Massa de Ar. Esta medida representa a quantidadetotal de energia incidente sobre a superfície terrestre, acrescentada de um número. Air Mass 1, ou AM1,identifica a energia incidente sobre o solo ao nível do mar, em um dia límpido, com o Sol a 90º destasuperfície, ou seja, cerca de 1kW/m2. AM2 representa uma intensidade radiante de 800W/m2.Comparativamente, AM0 seria a mesma intensidade da constante solar, ou a radiação medida sobre aatmosfera terrestre.

Esta variação da energia incidente sobre a superfície terrestre entre AM1 e AM2 está diretamenterelacionada à latitude do local medido, uma vez que quanto mais afastado do equador, maior será aporção de atmosfera que o raio incidente vindo do Sol terá que atravessar, reduzindo por difusão e

dispersão a sua energia até chegar ao solo.

Air Mass e suas variações conforme o ângulo de incidência da radiação solar [8]



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7. Solarimetria e instrumentos de medição da radiação solar

A medição da radiação solar, tanto a componente direta como a componente difusa na superfícieterrestre é de maior importância para o estudos das influências das condições climáticas e atmosféricas.

Com um histórico dessas medidas pode-se viabilizar instalações de sistemas térmicos efotovoltaicos em uma determinada região, garantindo o máximo aproveitamento ao longo do ano, períodoem que as variações da intensidade da radiação solar sofrem significativas alterações.

De acordo com as normas preestabelecidas pela OMM (Organização Mundial de Meteorologia),

são determinados limites de precisão para quatro tipos de instrumentos: de referência ou padrão,instrumentos de primeira, de segunda e de terceira classe. As medições padrões são: radiação global edifusa no plano horizontal e radiação direta normal.

Alguns instrumentos de medida da radiação solar:

I) Piranômetros Os piranômetros medem a radiação global (direta, indireta e difusa). Este instrumento caracteriza-

se pelo uso de uma termopilha que mede a diferença de temperatura entre duas superfícies, uma pintadade preto e outra pintada de branco igualmente iluminadas. A expansão sofrida pelas superfícies provocaum diferencial de potencial que, ao ser medido, mostra o valor instantâneo da energia solar. Um outro modelo de piranômetro utiliza uma célula fotovoltaica de silício monocristalino para coletar

medidas solarimétrias. Estes piranômetro é largamente utilizado, pois apresenta um custo bem menor doque os equipamentos tradicionais, apesar de ter uma sensibilidade um pouco menor do que o primeiromodelo.

Piranômetro [8]

II) Pireliômetros

Os pireliômetros são instrumentos que medem a radiação direta. Este instrumento se caracterizapor apresentar uma pequena abertura de forma a "visualizar" apenas o disco solar e a região vizinha,denominada circunsolar. O instrumento segue o movimento do sol, devendo ser constantemente ajustadopara focalizar melhor a região do sensor.

Muitos dos pireliômetros de hoje são autocalibráveis, apresentando uma margem de erro na faixade 0,5% quando adequadamente utilizados.

Pireliômetro [8]



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III) Heliógrafo Instrumento que registra a duração do brilho solar. A radiação solar é focalizada por uma esfera de

cristal de 10 cm de diâmetro sobre uma fita que, pela ação da radiação, é energrecida. O cumprimentodesta fita exposta a radiação solar mede o número de horas de insolação.

Heliógrafo [8]

IV) Actinógrafo Instrumento usado para medir a radiação global. Este instrumento é composto de sensores

baseados na expansão diferencial de um par bimetálico. Os sensores são conectados a uma pena que,quando se expande, registram o valor instantâneo da radiação solar. Sua precisão encontra-se na faixa de15 a 20% e é considerado um instumento de terceira classe.

Actinógrafo [8]

8. Processos naturais de conversão da energia solar

O fluxo de radiação solar que chega à Terra é a fonte primária principal (e quase a única) de todasas formas de energia conhecidas, incluídas as associadas aos processos vitais.

8.1. Folhas verdes: placas solares naturais, vitais para quase todos os organismos doplaneta

As plantas verdes, graças à clorofila, são capazes de utilizar os fótons dentro de um determinadolimite quanto à longitude de onda (cerca de 25% do espectro da luz solar) para efetuar reações de síntesede hidratos de carbono, partindo o CO2 atmosférico,e, junto com a água, produzindo também oxigênio.



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A clorofila atua como mediadora deste processo, absorvendo a luz e ativando uma reaçãofotoquímica que, globalmente, pode ser descrita desta forma:

6 CO2 + 6 H2O → (luz + clorofila) → C6H12O6 + 6 O2

8.2. A herança herdada pela humanidade atual

A energia solar fica armazenada nos hidratos de carbono formados, os quais liberam sua energia

ao decomporem-se, quando a folha se decompõe na natureza. Desta forma se estabelece um equilíbrioenergético, mediante o qual a planta entrega com o tempo toda a energia que absorveu.

Pode ocorrer que esta decomposição não chegue a se realizar completamente, ao não haveroxigênio suficiente, que é o caso quando as plantas ficam enterradas. Nos últimos cem milhões de anosforam se acumulando sobre muitas camadas de terra, material orgânico com energia conservada,sofrendo lentos processos químicos e dando origem aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gásnatural).

Desta forma, o homem de hoje nada mais faz do que extrair esta energia armazenada, absorvidado sol há milhões de anos atrás. Mais do que uma descoberta do presente, esta energia deve sercompreendida como uma herança do passado e que, por maior que seja, será finita.

Reservas mundiais de petróleo no ano de 2000 [12]

8.3. A fonte primária da vida

Os animais, ao se alimentarem de plantas, utilizam sua energia acumulada em processos

metabólicos para realizar, por exemplo, trabalho mecânico desenvolvido por seus músculos ou a síntesede proteínas e a produção de calor. Toda a energia que o corpo humano utiliza, também tem, desta forma,sua fonte primária no Sol.

9. Processos tecnológicos de conversão da energia solar em trabalho útil ao homem

9.1. Processos indiretos



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9.1.1. Aproveitamento da energia eólica para produção de energia cinética (moinhos)

Consiste em se fazer girar uma hélice ou catavento pela força do vento, para produção de energiacinética de rotação, e produzir-se algum trabalho desejado como bombeamento ou moagem. Trata-se deum dos sistemas de uso da energia eólica mais antigos, e até hoje utilizado.

Moinho tradicional da Ilha Graciosa - Açores [13]

9.1.2. Aproveitamento da energia eólica para geração de energia elétrica

Esta forma de aproveitamento da energia eólica vem se desenvolvendo rapidamente, já existindoatualmente enormes plantas de geradores eólicos para a produção de energia elétrica em larga escala,em alguns países. O desenvolvimento dos aerogeradores e dos materiais das pás das hélices são os quemais vêm sendo desenvolvidos, por serem os pontos chave para aumentar o rendimento destesequipamentos.

Apesar de ser uma forma ‘limpa’ de geração de energia, sem a emanação de poluentes, existeuma certa restrição dos locais de instalação em relação ao barulho gerado pelas grandes torres.

Existem também pequenos geradores eólicos para uso residencial, inclusive de produçãointeiramente nacional, sendo uma excelente opção para a redução do consumo doméstico de energia.

Turbina eólica [8]



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9.1.3. Processos termoelétricos e termodinâmicos de conversão da energia solar

Consiste essencialmente em produzir energia cinética de rotação, a partir de um motor ou de umamáquina térmica que funciona graças a pressão exercida por um fluido aquecido por energia solar. Estemotor é acoplado a um gerador convencional para a produção de energia elétrica.

Existem algumas “Centrais Solares” com esta finalidade, que concentram a radiação solar em umpequeno absorvedor, o qual consegue obter elevadas temperaturas, chegando a mais de 4000º C.

Usina solar experimental, próxima de Barstow, Califórnia, com produção de 10MW [14]

9.2. Processso diretos:

9.2.1. Aproveitamento da energia solar para produção de energia elétrica

I) O efeito fotovoltaico

Ainda que as bases teóricas do efeito fotovoltaico já fossem conhecidas desde o início do séculoXX, foi somente em 1954 que a Bell Telephone, em New Jersey, EUA, conseguiu produzir uma célula queaproveitasse este efeito com um rendimento razoável. Desde então, o processo de purificação demonocristais de silício tem se desenvolvido bastante, impulsionado principalmente pela indústriaeletrônica.

O efeito fotovoltaico acontece devido a uma diferença de potencial criada entre as duas faces dacélula fotovoltaica, quando ocorre a incidência da radiação solar sobre a mesma, dentro de uma faixageralmente entre 350 e 1100 nanômetros de comprimento de onda.

A incidência dos fótons sobre a célula provoca o deslocamento de elétrons de uma face para outra,fluxo este que é recolhido por uma malha metálica fixada sobre uma das faces de cada célula. Se aincidência dos fótons se interrompe, o fluxo de elétrons também cessa espontaneamente.

Para que este efeito ocorra, o material construtivo da célula deve ser próprio a possibilitar esteefeito, sendo os materiais semicondutores bastante apropriados para esta aplicação. Destes, o silício é omais utilizado por fatores como sua abundância na crosta terrestre e o desenvolvimento expressivo de seuuso, proporcionado pela indústria de componentes de computadores. Existem, porém, células construídascom outros materiais, principalmente o gálio, o cádmio, o cobre e o índio. Alguns até apresentam



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rendimentos um pouco maiores do que o silício, nesta aplicação. Porém, por motivos econômicos, o usodo silício tem se mostrado imbatível.

a) Junção PN

Partindo de um silício puro, se forem introduzidos átomos de boro em uma metade e de fósforo naoutra (dopagem), será formado o que se chama ‘junção PN’. O que ocorre nesta junção é que os elétronslivres do lado N passam para o lado P, onde encontram os buracos que os capturam; isto faz com que

haja um acúmulo de elétrons no lado P, tornando-o negativamente carregado, e uma redução de elétronsdo lado N, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétricopermanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado N para o lado P. Este processo alcança umequilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentesno lado N.

Se uma junção PN for exposta a fótons com energia acima de um certo limite, ocorrerá a geraçãode pares elétron-lacuna. Se isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargasserão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção. Este deslocamento de cargas dáorigem a uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico . Se as duas extremidadesdo "pedaço" de silício forem conectadas por um fio, haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base dofuncionamento das células fotovoltaicas.

Desenho esquemático de uma célula fotovoltaica, destacando a junção P-N e os contatos metálicos [8]

b) formação das células de silício

Se feitas de silício, as células fotovoltaicas podem ser encontradas de três tipos:

1) Células de silício Monocristalino

Possuem aparência externa uniforme em termos de coloração e são feitas de fatias de lingotescilíndricos de silício. Depois de cortadas ficam com cerca de 0,3mm de espessura. Os lingotes de silíciosão formados em fornos especiais por um processo chamado de Czochralski, em alta temperatura eambiente controlado geralmente em atmosfera de argônio. Trata-se de um processo dispendioso e de altatecnologia. Até pouco tempo eram as que apresentavam maior rendimento.



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Células de silício monocriatalino [arquivo pessoal]

2) Células de silício policristalino

Feitas por um processo menos rigoroso, as células policristalinas têm uma aparênciacaracterística, onde pode-se ver claramente os vários cristais de sua formação distribuidos de formaheterogênea. Têm a ventagem de poderem ser feitas nos formatos desejados, aproveitando praticamentetoda a área útil da placa. São historicamente menos eficientes do que as células monocristalinas, masdevido ao seu menor custo de fabricação e a desenvolvimentos mais recentes, seu rendimento já começaa ficar bem próximo de suas irmãs monocristais.

Célula de silício policristalino [1]

3) Células de silício amorfo

A célula de silício amorfo difere das demais estruturas cristalinas por apresentar alto grau dedesordem na estrutura dos átomos. A utilização de silício amorfo para uso em fotocélulas tem mostradograndes vantagens tanto nas propriedades elétricas quanto no processo de fabricação. Por apresentaruma absorção da radiação solar na faixa do visível e podendo ser fabricado mediante deposição dediversos tipos de substratos, o silício amorfo vem se mostrando uma forte tecnologia para sistemasfotovoltaicos de baixo custo. Mesmo apresentando um custo reduzido na produção, o uso de silício amorfoapresenta duas desvantagens: a primeira é a baixa eficiência de conversão comparada às células mono e

policristalinas de silício; em segundo, as células são afetadas por um processo de degradação logo nosprimeiros meses de operação, reduzindo assim a eficiência ao longo da vida útil. Por outro lado, o silício amorfo apresenta vantagens que compensam as deficiências acima citados,

são elas:

- processo de fabricação relativamente simples e barato;- possibilidade de fabricação de células com grandes áreas;- possibilidade de fabricação de células em forma de filmes ou semitransparentes- baixo consumo de energia na produção.



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Filmes de silício amorfo [1]

II) Armazenamento da energia elétrica

A energia produzida pelas placas fotovoltaicas pode ser ou não armazenada, conforme a finalidadeou o conceito de uso da instalação.

No caso da armazenagem, esta pode ocorrer duas formas:

a) Por baterias

As baterias para uso solar devem específicas para este fim, capazes de suportar descargasprofundas de um uso constante. São utilizadas para garantir o fornecimento em momentos de poucainsolação ou à noite.

b) Conceito de conexão à rede (grid-connected)

O sistema fotovoltaico, sem baterias, é conectado à rede pública. Quando a energia consumida ésuperior a produzida pelas placas, a rede fornece a energia necessária. Porém, quando a produção dasplacas é superior ao consumo (por exemplo, durante um dia útil, com a casa sem ocupantes) a energia é“vendida” para a rede pública, através de um medidor específico ou um medidor que rode nos doissentidos, reduzindo o valor da conta no final do mês.

Desta forma, o armazenamento da energia excedente é feito diretamente na rede. Se esta redetiver origem em uma usina hidrelétrica, este armazenamento se dará, em última instância, na forma depreservação de água.

Esquema de conexão à rede [15]

III) Utilização sem armazenamento da energia elétrica: bombeamento de água

Uma utilização já bem desenvolvida da energia solar fotovoltaica é o bombeamento de água,através de sistemas isolados compostos pelo conjunto de placas fotovoltaicas e a bomba d’água ligadadiretamente a elas. Este bombeamento pode ser aplicado, por exemplo, em poços ou sistemas deirrigação.



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A bomba entra automaticamente em funcionamento quando há insolação suficiente, sem anecessidade de qualquer intervenção. Não há armazenamento de energia elétrica nem a utilização decomponentes acessórios para este sistema, o que o torna economicamente atrativo.

Já existem diversos modelos de bombas de corrente contínua específicas para este uso, atingindouma variada faixa de potência.

Diferentes modelos de bombas centrífugas e submergíveis para uso solar [1]

9.2.2. Aproveitamento da energia solar para produção de calor (energia solar fototérmica)

I) Coletores solares para aquecimento de água ou outros fluídos

Um dos processos mais conhecidos de utilização da energia solar de forma direta é o aquecimentode fluídos através de coletores solares planos, também conhecidos como coletores de placa plana (c.p.p.).

Simplificadamente, estes coletores são compostos de uma placa, na qual é fixada uma serpentinapor onde percorre o fluído a ser aquecido. Este conjunto é instalado dentro de uma caixa em cujo fundo écolocado um isolante térmico, e fechada em sua face superior por uma cobertura transparente.

Tal qual em outras máquinas térmicas, existe um grande estudo sobre os coletores solares emrelação à sua capacidade de captar a radiação solar e convertê-la em energia calorífica. Este estudoenvolve o fluxo energético de um corpo exposto ao Sol e as suas perdas térmicas por radiação,convecção e condução, perdas estas que crescem conforme o aumento da temperatura deste corpo.

O principal uso das placas para aquecimento de água são:

a) Aquecimento de água para uso doméstico

Trata-se da utilização mais conhecida no Brasil. Este sistema é geralmente composto por umconjunto de placas instaladas no telhado, ligadas a um reservatório de água quente. O fluxo da águaquente pode ocorrer forçado por bombas ou de forma natural por termosifão.



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Módulo de aquecimento de água residencial, composto por duas placas e um acumulador [1]

b) Aquecimento de água para piscinas ou para processos industriais

Pouco conhecido no Brasil, o aquecimento de água para piscinas através de coletores solares ébastante conhecido em países europeus, onde o clima é mais frio e existe uma maior necessidade decombustíveis para o aquecimento interno das casas e edifícios, havendo, inclusive em alguns países, a

proibição de uso de combustíveis fósseis para o aquecimento de piscinas.O coletor utilizado para este fim é construído de materiais plásticos ou poliméricos, mais leves emais baratos do que os materiais do coletor tradicional. Mesmo possuindo um rendimento menor, setornam adequados a esta finalidade, onde a temperatura de uso nunca passa dos 25º C. Usados emconjunto com uma capa para cobertura noturna da piscina, a qual reduz drasticamente a perda de calor dasuperfície da água para o ambiente durante a noite, este processo torna-se bastante eficaz.

Da mesma forma que o uso residencial, coletores solares para aquecimento de água podem serutilizados para o aquecimento de fluídos em processos industriais, uma vez que é possível a obtenção deuma razoável faixa de temperatura para este aquecimento, de acordo com a especificação doequipamento a ser utilizado.

Detalhe de um coletor em polipropileno e acima uma instalação destes coletores para o aquecimento de uma piscina [1]



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Em relação às características das placas, seu funcionamento, manuseio e materiais utilizados,destacam-se os seguintes itens:

1) Tipo de revestimento da placa absorvedora (a que capta a radiação do sol)

Normalmente vista como uma simples pintura preta, o tratamento dado à superfície da placaabsorvedora é de grande importância para a eficiência do coletor, uma vez que uma tinta preta comum,além de refletir tanta radiação quanto absorve, proporcionando uma menor eficiência do equipamento,

pode se degradar rapidamente sob a ação contínua dos raios ultravioleta, tornando necessária umarepintura periódica.Já existem desenvolvidas tintas especiais denominadas pinturas ou superfícies seletivas, que têm

a capacidade de absorver mais radiação do que refleti-la, geralmente compostas por uma mistura ousobreposição de diferentes compostos metálicos.

2) Efeito estufa

Ao incidir sobre um corpo, a radiação eletromagnética pode ser total ou parcialmente absorvida,refletida, ou mesmo atravessar o corpo em questão. A proporção em que se produzem estes efeitosdepende:

- da natureza do corpo (pelo coeficiente de condutibilidade térmica),

- do estado da superfície (polimentos, tratamentos de pintura),- da espessura atravessada,- da longitude de onda da radiação, e- do ângulo de incidência do raio em relação à superfície do corpo.

A transparência de um material depende da longitude de onda do espectro eletromagnético que oatinge. O vidro, por exemplo, é transparente entre 0,3 e 3 μm, sendo opaco para longitudes de ondamaiores. A propriedade de transparência de certos materiais (vidros, plásticos etc), é utilizada para que serealize o efeito estufa dentro da placa solar, com o objetivo de aumentar o calor interno a um nível acimada própria incidência da radiação solar em um determinado momento.

Pela ilustração abaixo, fica mais fácil o entendimento deste processo:

Ilustração do efeito estufa em um coletor solar térmico. As dimensões estão distorcidas para facilitar a compreensão [1]

1- A radiação solar incide sobre o equipamento;2- A placa absorvedora aquece, emitindo uma radiação com comprimento de onda maior, entre

4,5 e 7,2 μm, para o qual o vidro é opaco;3- O isolamento impede a dispersão do calor para trás da placa;4- A radiação é refletida internamente, incidindo novamente sobre a placa absorvedora;5- O próprio vidro se aquece e começa também a emitir radiação, a qual, emitida por sua face

interna, também incide sobre aplaca absorvedora.



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3) Considerações quanto ao excesso de calor ou de frio

A montagem de um sistema de aquecimento de água ou outros fluídos deve ser feita de forma a seprever temperaturas extremas, uma vez que tanto o congelamento quanto a ebulição do fluído sãoextremamente prejudiciais a todo o sistema (placas, tubulações, conexões, equipamentos de controleetc.), além de, no caso da ebulição, ser também perigosa para um usuário desprevenido, por exemplo aoabrir uma torneira de um sistema pressurizado pelo vapor.

4) Radiadores noturnos

Da mesma forma que aquecem um fluído, as placas solares podem funcionar como eficientesradiadores, trocando à noite o calor do fluído com o ambiente.

As instalações de aquecimento de água ou outros fluídos devem se prevenir contra o fluxo reversodurante a noite, uma vez que, sem que haja um sistema de corte, pode ocorrer a circulação do fluído porconvecção através das placas durante a noite, resfriando-o até a temperatura ambiente.

5) Trocadores de calor e anticongelantes

Muito comuns e até obrigatórios em alguns países europeus, os sistemas de aquecimento de águasão montados com trocadores de calor, havendo dois circuitos distintos: o do fluído portador de calor e o

da água para consumo. Desta forma, o líquido aquecido é geralmente composto por óleos minerais ousintéticos, adicionados de anticongelantes conforme a latitude ou altura do nível do mar do local deinstalação.

6) Outros itens também de importância, mas que não são objetivo desta apresentação:

- Materiais para as cobertas transparentes (vidro temperado, coberturas duplas, policarbonatoetc.),

- Perdas de carga do circuito do fluído,- Corrosão interna na tubulação e na própria caixa de proteção,- Inércia térmica do absorvedor (quantidade de calor necessária para elevar a temperatura do

fluído em um tempo determinado),

- Homogeneidade da circulação do fluido portador do calor,- Transmissão de calor entre a placa e o fluído,- Pontes térmicas,- Isolamento (em relação ao seu comportamento com a temperatura, desprendimento de

vapores, envelhecimento e resistência a umidade)- Capacidade de retenção de água, poeira, gelo ou neve no exterior do coletor,- Facilidade de desmontagem para manutenções preventivas ou corretivas,- Areação no interior do coletor,- Rigidez, resistência à fixação, à variações de temperatura e à corrosão, da caixa exterior,

Também, existem diversas fórmulas para o estudo energético do coletor, fórmulas estas queenvolvem:

- Área útil da placa (em relação à recepção da radiação solar),- Intensidade radiante incidente ( W/m2 ),- Características de transmissão e de absorção da radiação pela cobertura transparente,- Característica de absorção da placa coletora,- Coeficiente global de perdas, como uma característica construtiva do equipamento,- Temperatura média da placa coletora (em relação à localidade da instalação),- Temperatura ambiente média,- Rendimento do equipamento,- Vazão e calor específico do fluído.



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Também são utilizadas fórmulas e conceitos como a equação de Daniel Bernoulli, o número deReynolds e a equação que relaciona quantidade de calor com massa e temperatura ( Q = mce Δtº ).

Especificamente para a instalação das placas, são utilizados os conhecimentos trigonométricoscomo senos e cossenos, uma vez que o ângulo de instalação das placas é fundamental para suaeficiência, bem como para a avaliação de esforços pelo vento, que se não forem devidamente calculadospodem fazer a instalação sair voando na primeira ventania mais forte.

Além dos coletores tradicionais de placa plana, existem outros modelos de coletores solares para oaquecimento de água, como coletores à vácuo com tubo de calor e coletores em forma piramidal.

Coletor à vácuo com tubo de calor [1]

Curioso modelo de coletores/acumuladores cônicos [1]

II) Outras aplicações da energia solar térmica

Atualmente, a grande maioria das instalações que aproveitam o poder térmico da energia solar ofazem para o aquecimento de água para fins domésticos ou industriais. No entanto, a energia solar comofonte primária pode ser utilizada em diversos processos, da mesma forma que qualquer outra fonteenergética.



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Desde aplicações simples como as estufas agrícolas, até as que requerem uma tecnologiasofisticada como a produção de hidrogênio, a energia solar mostra que pode ser aplicada a uma enormevariedade de processos, expandindo seu campo de utilização lenta, porém constantemente.

a) Secadores

Os processos de secagem utilizados em agricultura (grãos, folhas), ou em indústrias variadasconsomem uma grande quantidade de energia, já que requerem uma vazão razoável de ar quente

atuando por bastante tempo.Neste campo, a energia solar encontra uma de suas mais promissoras aplicações, já que podemser fabricados grandes tubos de materiais plásticos, os quais atuam como coletores solares capazes deaumentar a temperatura do ar em 10 ou 15 ºC acima do ambiente, o que já é o suficiente em grande partedas necessidades para esta aplicação.

Secador [1]

b) Dessalinização de água

Trata-se de uma aplicação tanto para zonas costeiras, utilizando a água do mar, como para locaisafastados do mar, onde a água obtida de poços não tem um sabor agradável para o consumo.

O sistema de dessalinização funciona evaporando a água, aproveitando seu aquecimento pela

radiação solar, cujo vapor é retido por uma cobertura inclinada, condensado e acumulado já na forma deágua dessalinizada em um recipiente separado.

Princípio de funcionamento de um destilador solar [1]

c) Calefação de espaços internos

A possibilidade de satisfazer, ao menos parcialmente, a necessidade de calefação de edifícios pormeio da energia solar constitui um potencial atrativo, principalmente para as localidades em latitudes mais



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altas, dado o elevado custo de fontes mais tradicionais para se manter uma temperatura interna agradáveldurante épocas mais frias.

Calefação solar de uma residência por meio de piso radiante [1]

d) Refrigeração solar

Dentro do conceito de que é justamente nos dias de maior incidência de radiação solar que sedeseja o funcionamento de aparelhos de ar-refrigerado, existem experiências visando aproveitar de formaeconomicamente viável a energia solar para este fim.

Inclusive não somente para a refrigeração do ar, a radiação solar pode fazer funcionar tambémgeladeiras ou freezers, dado que o princípio de funcionamento destes equipamentos é semelhante.

Projeto iniciado no laboratório de mecânica da Universidade Santa Úrsula,de um pequeno refrigerador cujo foco quente vem do aquecimento solar [arquivo pessoal]



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e) Cozinhas solares

O aproveitamento da radiação solar para a preparação de alimentos já conta atualmente comdiversos equipamentos tais como fornos, fogões e churrasqueiras. O princípio de funcionamento baseia-senormalmente na concentração dos raios solares em um foco, para gerar um aquecimento similar ao fogoou ao calor gerado por resistências elétricas.

Fogão solar [1]

f) Sistemas passivos - Arquitetura solar e arquitetura bioclimática

Contrapondo-se aos sistemas ativos, que necessitam de um fluído circulante que recolha etransporte a energia de origem solar até o acumulador ou pontos de consumo, um sistema passivo baseia-se unicamente em conceitos arquitetônicos ou geométricos e trata de otimizar a energia incidente, de

maneira natural, para obter a melhor climatização possível em um recinto ou em uma construção.A arquitetura solar está baseada no conceito de uma completa interação da construção com oselementos de climatização naturais e em relação a orientação destes com o percurso do sol e suavariação durante todo o ano.

A arquitetura bioclimática integra os conceitos do sistema passivo com o conforto ambiental,buscando conseguir que as construções sejam, por si mesmas, o menos frias possível no inverno e omenos quentes no verão, adaptadas ao ambiente em que se localizam.



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Exemplo simplificado de arquitetura bioclimática [1]

10. Outros assuntos de interesse, no âmbito brasileiro, em relação à energia solarI) Casa Solar Eficiente

Localizada nas instalações do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL) da Ilha doFundão, Rio de Janeiro, a Casa Solar é uma casa pré-fabricada, com todos os seus equipamentos eletro-eletrônicos eficientes do ponto de vista de conservação de energia e alimentados por painéis solares ecom aquecimento de água também baseado em energia solar.

A Casa possui um mini-auditório para trinta pessoas, um quarto de controle, um quarto dedemonstração de iluminação, uma cozinha com eletrodomésticos eficientes e um banheiro com águaaquecida por painel termosolar.

Na parte externa da casa encontra-se também um sistema fotovoltaico de bombeamento de água,um banco de baterias além de um gerador eólico.

A Casa Solar é aberta à visitação, bastando se entrar em contato com o Cepel, por telefone ou e-mail indicados no site.

Casa Solar Eficiente - Ilha do Fundão - Rio de Janeiro/RJ [8]

II) Células fotovoltaicas produzidas a partir de pigmentos corantes de frutas nativas brasileiras

As células solares de silício convertem a luz em eletricidade, explorando o efeito fotovoltaico queexiste na junção de semicondutores. O semicondutor realiza simultaneamente dois processos, absorçãoda luz e separação das cargas elétricas (elétrons e buracos) que são formados como conseqüência daabsorção de fótons de luz. Entretanto, para evitar recombinação prematura de elétrons e buracos, ossemicondutores empregados devem ser altamente puros e livres de qualquer defeito. A fabricação destetipo de célula apresenta inúmeras dificuldades o que limita largamente o seu uso para produção deeletricidade em escala industrial.

Por outro lado, as células solares usando corantes fotoexcitáveis (CSCF) funcionam utilizando

um principio diferente, onde o processo de absorção da luz e a separação de cargas (buracos eelétrons) ocorrem em duas etapas.Devido a facilidade de construção, estas células oferecem a possibilidade de redução drástica

nos custos da energia solar. Comparadas com as células convencionais de silício, as CSCF apresentamainda as seguintes vantagens:

- Permitem a construção de módulos transparentes que possibilitam o seu uso em janelas, fachadas,painéis, iluminação de tetos, automóveis etc.



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- Trabalham usando condições variadas de iluminação devido a sua habilidade de usar corantes que sãosaturados a baixa energia luminosa;- São menos sensíveis ao ângulo de incidência da radiação luminosa a podem usar luz refratada erefletida;- São menos sensíveis a nebulosidade.- Podem operar em condições variadas de temperatura, podendo operar com boa performance emtemperaturas acima de 70oC, onde as células convencionais de silício perdem rapidamente a eficiência.- São produzidas em instalações simples por processos não poluentes, não exigindo os ambientes

especiais e caros requeridos na fabricação das células fotovoltaicas convencionais.

Célula fotovoltaica feita com corante de açaí, mostrando a voltagem produzida sob o sol, de 4,34V [9]

Este projeto pertence ao PADETEC - Parque de Desenvolvimento Tecnológico da UniversidadeFederal do Ceará.

11. Resultados e Conclusões

Apesar de ainda haver uma impressão geral de a energia solar ser uma fonte “alternativa”, já existeum extenso desenvolvimento de variadas formas de para seu aproveitamento, muitas delas já em usocomercial.

Porém, os maiores estudos sobre este assunto ainda são mérito principalmente de países

europeus, onde, por suas condições climáticas mais severas e menor abundância de recursos naturais, aenergia solar é vista como uma fonte real, barata e em condições de competir com as fontes tradicionaiscomo os combustíveis fósseis ou a energia nuclear. Além disso, a energia solar vem de encontro àtendência mundial de evitar fontes poluentes, já que de seu uso não resulta nenhuma forma de rejeito dequalquer espécie.

O resultado é que, em nosso país, o uso da energia solar acaba dependendo de tecnologiaimportada, como é o caso da fabricação das células fotovoltaicas de silício ou das superfícies seletivasnos coletores planos. Não por mérito, mas pela ainda fraca atenção que é dada a este assunto pelospesquisadores brasileiros, com algumas poucas exceções.



Texto e apresentação disponíveis no site http://www.perdiamateria.eng.br

Bibliografia:

[1] Censolar - Centro de Estudios de la Energia Solar, Curso Programado de Instalaciones de Energia

Solar - Sexta edición . Espanha, Progensa (Promotora General de Estudios, S.A.), 2001.ISBN 84-86505-38-0Na internet: http://www.censolar.es

[2] Jade Mountain, Jade Mountain International Edition - Vol. XIV No. 5 . Colorado (EUA), 2001.ISBN 1-892188-02-3

[3] Richard J. Komp, Ph.D, Practical Photovoltaics - Electricity From Solar Cells, third edition . Michigan(EUA), Aatec Publications, 2001.ISBN 0-937948-11-X

[4] Larousse 1995, Grande Enciclopédia Larousse Cultural. Brasil, Nova Cultural Ltda., 1998.

ISBN 85-13-00778-1

[5] Paul A. Tipler, Tipler/1a Física - Segunda Edição . Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Editora GuanabaraKoogan S.A., 1990.ISBN 85-7030-040-9; ISBN 85-7030-041-7

[6] Time-Life Books Inc., Biblioteca da Natureza Life - O Universo . Rio de Janeiro, Brasil. Livraria JoséOlympio Editora S.A., 1982.

Sites da Internet utilizados como fonte de consulta ou de imagens:

[7] Feira de Ciências... O Imperdível!: http://www.feiradeciencias.com.br

[8] Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito - Cresesb - Empresa dogrupo Eletrobrás - http://www.cresesb.cepel.br

[9] Padetec - Parque de Desenvolvimento Tecnológico - Universidade Federal do Ceará -http://www.padetec.ufc.br

[10] Departamento de Astronomia do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul -http://astro.if.ufrgs.br

[11] U.S. Geological Survey’s (USGS) Water Science for Schools web site - http://ga.water.usgs.gov/edu/

[12] ACE - Asean Centre for Energy - http://www.aseanenergy.org

[13] Apoio Açores Serviços de Internet - http://www.apoioacores.com

[14] New Mexico Solar Energy Association - http://www.nmsea.org

[15] Sharp Solar Power Generation System - http://sharp-world.com/solar/

física - energia 03 - energia solar vii

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