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 Fonte
 

O Sol, no seu centro, os núcleos de átomos de hidrogênio fundem-se originando núcleos de hélio. A sua superfície atinge uma temperatura de perto dos 6.000ºK.

A energia resultante desta reação é radiada para o espaço, e parte dela atinge a atmosfera terrestre com uma intensidade de cerca de 1.373 W/m².

  Erupção Solar
 

Uma vez que parte da energia inicial é refletida ou absorvida pela atmosfera, num dia de céu claro é possível medir junto a superfície terrestre num plano perpendicular, cerca de 1.000 W/m².

Esta radiação disponível à superfície terrestre divide-se em três componentes:

- direta: a que vem "diretamente" desde o disco solar;
- difusa: a proveniente de todo o céu exceto do disco solar, das nuvens, gotas de água, etc.;
- refletida: proveniente da reflexão no chão e dos objetos circundantes.

A soma das três componentes é denominada como radiação global, e representa, nas condições já referidas, cerca de 1.000 W/m².

 

 Conversão
 

Existem duas formas diferentes de utilizar a energia solar:

- ativa: transformação dos raios solares em outras formas de energia: térmica ou elétrica.

- passiva: aproveitamento da energia para aquecimento de edifícios ou prédios, através de concepções e estratégias construtivas.

Energia solar térmica ativa


Princípio: qualquer objeto exposto à radiação solar "Q" aquece. Simultaneamente, há perdas por radiação, convecção e condução, que aumentarão com a temperatura do corpo.

Chega um momento em que as perdas térmicas, "Qp", se igualam aos ganhos devidos ao fluxo energético incidente, atingindo-se a temperatura de equilíbrio, "tc".

Assim, no equilíbrio tem-se: Q = Qp

Se conseguirmos extrair continuamente uma parte do calor produzido mudaremos as condições do equilíbrio anterior, ficando: Q = Qp + Qu

Qu => Energia extraída do corpo ou energia útil.


Vantagens: tanto na sua forma mais simples, obtenção de água quente, como em outras aplicações do gênero, a significativa poupança energética e econômica (que chega a atingir em alguns casos mais de 80%), e ainda a grande disponibilidade de tecnologia no mercado, são fatores que transformaram a energia solar térmica uma das mais comuns, vantajosas e atrativas formas de energia renovável.

Desvantagens: o elevado investimento inicial na instalação solar, apresenta-se por vezes como o maior entrave ao desenvolvimento desta solução.

 
Principais aplicações:

- produção de Água Quente Sanitária (AQS), para uso doméstico, hospitais, hotéis, etc.: temperatura inferiores a 60ºC, com períodos mínimos de utilização do equipamento solar entre oito e dez meses por ano.
Estas instalações dimensionam-se, normalmente, para as necessidades energéticas anuais, evitando assim excedentes energéticos nos meses de verão;

- aquecimento de piscinas:dependendo do tipo e finalidade da piscina, os valores da temperatura de utilização variam entre 25-35ºC, sendo possível a aplicação a piscinas de utilização anual ou sazonal (verão);

- aquecimento ambiente: do ponto de vista tecnológico é possível a utilização da energia solar para o aquecimento ambiente de forma ativa dos edifícios, no entanto esta aplicação está limitada pela utilização em apenas 3 a 4 meses por ano, sendo assim economicamente menos interessante;

- arrefecimento ambiente: é possível produzir frio combinando energia solar com máquinas de absorção ou sistemas híbridos (solar-gás), que operam a temperaturas na ordem dos 80 ºC (máquinas de Brometo de Lítio), ou 120 ºC (máquinas de Amônia/H2O), o que, combinado com o aquecimento ambiente no inverno, tornam estas aplicações muito interessantes, quer do ponto de vista ambiental com a redução de consumo de energia primária, quer do ponto de vista econômico, com a rentabilização total do sistema;

- produção de água a elevadas temperaturas destinada a uso industrial: temperaturas superiores a 80 ºC e 100 ºC (água saturada ou vapor), com aplicações industriais diretas, de pré-aquecimento de água de processo ou vapor para produção de energia elétrica (temperaturas de superiores a 450 ºC).

- outras aplicações: aplicações de baixa ou intermédia temperatura, como estufas, secadores dessanilizadores, secadores, destoxificadores (Ultra Violeta) e ainda cozinhas solares.
  Chuveiro

Piscina

Radiador

Fornos solares - Fonte:Sandia National Laboratories

Energia solar elétrica ou Fotovoltaica (PV)

Princípio: A conversão direta da energia solar em energia elétrica envolve a transferência dos fótons da radiação incidente para os elétrons da estrutura atômica desse material.

Nos materiais semicondutores sob o efeito de uma radiação luminosa, a energia dos fótons incidentes é diretamente transferida para o sistema eletrônicos do material, podendo excitar elétrons da banda de valência para a banda de condução e dando origem à criação de pares de elétrons (absorção). Para obter uma corrente elétrica é criada uma estrutura de separação dos portadores de carga foto gerados, por ação do campo elétrico interno, antes de se recombinarem. Segue-se logo a extração das cargas em corrente contínua para utilização. A este efeito dá-se o nome de efeito Fotovoltaico.

Vantagens: A energia fotovoltaica é uma das mais promissoras fontes de energia renováveis. A vantagem mais clara é a quase total ausência de poluição. Para além desta vantagem a ausência de partes móveis susceptíveis de partir, não produz cheiros ou ruídos, têm baixa ou nenhuma manutenção, e com tempo de vida elevados para os módulos.

Desvantagens: No entanto uma das principais limitações dos dispositivos fotovoltaicos é o seu baixo rendimento, isto é, uma baixa conversão da energia solar em energia elétrica. A razão deste fato reside fundamentalmente na deficiente exploração do espectro da radiação incidente (sol) por parte dos dispositivos. Outro inconveniente é os custos de produção dos painéis, estes devidos principalmente à pouca disponibilidade de grandes quantidades de materiais semicondutores, e de processos de obtenção, por vezes, muito caros. No entanto este fator está progressivamente a desaparecer com os desenvolvimentos das deposições e das micro tecnologias.

 

Principais aplicações:

- eletrificação remota: atualmente uma das principais aplicações da energia fotovoltaica é a possibilidade de fornecer energia elétrica a lugares remotos, onde os custos da montagem de linhas elétricas é superior ao sistema fotovoltaico, ou existe a impossibilidade deste tipo de fornecimento;

- sistemas autônomos: bombagem de água para irrigação, sinalização, alimentação de sistemas de telecomunicação, etc.;

- aplicação de micro-potência: relógios, maquinas de calcular, etc.;

- integração em edifícios: a integração de módulos fotovoltaicos na envolvente dos edifícios (paredes e telhados) é uma aplicação recente, podendo representar reduções de custos construtivos e energéticos. A energia produzida em excesso pode ser vendida à companhia elétrica, e quando existem insuficiências, esta pode ser comprada;

- veículos: outra aplicação, ainda em fase de investigação, é a de automóveis de recreio providos de células fotovoltaicas, com suficiente potência para movimentá-los, assim como também embarcações de recreio.

  Electrificação Rural - Fonte: DOE/NREL, Solar Design Associates, Inc.

Parede PV - Fonte: DOE/NREL, BP Solarex

Veículo PV

Energia solar passiva

Princípio: aproveitamento da energia solar, incidência dos raios solares, para aquecimento de edifícios ou prédios, através de concepções e estratégias construtivas.

Vantagens: o baixo custo de algumas soluções, como o bom planejamento e orientação do edifício que podem resultar consumos energéticos evitados até 40%.

 

Quanto às possíveis aplicações, em qualquer edifício habitacional, de escritórios ou industrial, podem ser aplicadas soluções de eficiência energética e de energia solar passiva, tendo em conta as questões de projeto e estudo de forma a maximizar este tipo de aproveitamento energético.

  Casa Schaffer
 Tecnologias
 
Existem vários tipos de tecnologia para o aproveitamento e conversão da energia solar:

- coletor solar;
- painel fotovoltaico;
- outras tecnologias térmicas ativa;
- tecnologias passivas.

Coletar Solar

A mais comum das tecnologias de aproveitamento da energia solar térmica ativa é o coletor solar. Existem vários tipos de coletores:

- planos;
- concentradores;
- CPC ou concentradores parabólicos compostos;
- de tubo de vácuo.

 
Coletar plano

Este tipo de coletor é o mais comum e destina-se a produção de água quente a temperaturas inferiores a 60 ºC.

Este é formado por:

- cobertura transparente: para provocar o efeito de estufa e reduzir as perdas de calor e ainda assegurar a estanquicidade do coletor.

- placa absorsora: serve para receber a energia e transforma-la em calor, transmitindo-a para o fluido térmico que circula por uma série de tubos em paralelo ou serpentina. Para obter maiores rendimentos existem superfícies seletiva que absorvem como um corpo negro mas perdem menos radiação.

- caixa isolada: serve para evitar perdas de calor uma vez que deverá ser isolada termicamente, para dar rigidez e proteger o interior do coletor, dos agentes externos.

Ao fazer circular o fluido térmico através dos tubos dos coletores, retira-se calor destes podendo aproveitar este calor para aquecer um depósito de água.
Esquema de Colector Plano
Coletores concentradores

Para atingir temperaturas mais elevadas há que diminuir as perdas térmicas do receptor. Estas são proporcionais à superfície deste. Reduzindo-a em relação á superfície de captação, consegue-se reduzir as perdas térmicas na proporção dessa redução.

  Colectores Concentrador
Os sistemas assim concebidos chamam-se concentradores, e concentração é precisamente a relação entre a área de captação (a área de vidro que serve de tampa á caixa) e a área de recepção.

Acontece que, quanto maior é a concentração mais pequeno é o ângulo com a normal aos coletores segundo o qual têm que incidir os raios solares para serem captados, pelo que o coletor tem de se manter sempre perpendicular aos raios solares, seguindo o sol no seu movimento aparente diurno.

Esta é uma desvantagem, pois o mecanismo de controle para fazer o coletor seguir a trajetória do sol, é bastante dispendioso e complicado, para além de só permitir a captação da radiação direta.
CPC ou coletores concentradores parabólicos

O desenvolvimento da óptica permitiu muito recentemente a descoberta de um novo tipo de concentradores (chamados CPC ou Winston) que combinam as propriedades dos coletores planos (também podem ser montados em estruturas fixas e têm um grande ângulo de visão o que também permite a captação da radiação difusa) com a capacidade de produzirem temperaturas mais elevadas (>70ºC), como os concentradores convencionais do tipo de lentes.
  Colectores CPC- Fonte: Ao Sol

A diferença fundamental entre estes coletores e os planos é a geometria da superfície de absorção, que no caso dos CPC's a superfície absorvedora é constituída por uma grelha de alhetas em forma de acento circunflexo, colocadas por cima de uma superfície refletora. A captação solar realiza-se nas duas faces das alhetas já que o sol incide na parte superior das alhetas e os raios que são refletidos acabam por incidir na parte inferior das alhetas, aumentado assim ainda mais a temperatura do fluido e diminuindo as perdas térmicas.
 
Coletores de tubo de vácuo

Estes consistem geralmente em tubos de vidro transparente cujo interior contêm tubos metálicos (absorvedores). A atmosfera interior dos tubos livre de ar o que elimina as perdas por convenção os de tubo de vácuo, elevando assim o rendimento a altas temperaturas devido a menores coeficientes de perda a eles associados.

Tipos de sistemas solares térmicos

Os dois principais tipos de sistemas de energia solar térmica são:

- circulação em termo sifão;
- circulação forçada.

Circulação em termo sifão

O mesmo fluido a temperaturas diferentes tem também densidades diferentes, quanto maior é a sua temperatura menor a sua densidade. Por isso, quando se aquece um fluido, este tem tendência a estratificar-se ficando a parte mais quente na zona superior. No sistema de termo sifão a água aquecida pelo Sol no coletor, sobe "empurrando" a água mais fria do depósito, forçando-a a tomar o seu lugar, descendo, para subir novamente quando, por sua vez for aquecida. O depósito deve ficar acima do coletor, senão dá-se o fenômeno inverso quando já não houver sol (termo sifão invertido).

Estes sistemas são compostos pelo coletor solar, depósito acumulador, purgador, vaso de expansão e outros pequenos acessórios.

 

Esquema em Termosifão
 
Circulação forçada

Nas situações em que não é viável a colocação do depósito acima da parte superior dos coletores e para os grandes sistemas em geral é necessário usar bombas eletrocirculadoras para movimentar o fluido térmico. A bomba poderá ser comandada por um sistema de controle automático (o comando diferencial).

O sistema de controle (comando diferencial) está regulado de modo a pôr a bomba em funcionamento logo que a diferença de temperatura (Tout - Tdep) entre os coletores e o depósito seja de 5 ºC
 
Esquema em Circulação Forçada

Estes sistemas são compostos pelo coletor solar, depósito acumulador, bomba eletrocirculadora, controlador diferencial, purgador, vaso de expansão e outros pequenos acessórios.

Energia solar elétrica ou Fotovoltaica (PV)

A energia fotovoltaica pode ser produzida de várias formas, com grandes variações de eficiência e custos. Podem-se dividir em dois grupos básicos: tecnologia de células discretas e tecnologia de película fina integrada.

- Silício mono cristalino: fatias de blocos monocristais de silício crescente. Atualmente as células chegam a ter uma espessura de 2.000 microns. As células de investigação chegam aos 24% de eficiência, as comerciais perto de 16%.

- Silício policristalino
: fatias obtidas a partir de blocos de silício de pureza intermédia. Estas células são menos caras de fabricar e menos eficientes, as de investigação têm cerca de 18% e as comerciais aproximam-se aos 14%.

- malha dendrítica: filme de silício monocristalino vazado de um cadinho de silício fundido, numa malha dendrítica.

- Galio Arsenio (GaAs): Material semicondutor de que são feitas as células de alta eficiência, usado especialmente na tecnologia espacial. As células de investigação chegam aos 25% e aos 28% baixo luz do sol concentrada. Multiconjunções de células de GaAs podem chegar aos 30% de eficiência.

- tecnologia de película fina integrado Cobre Indio Desilenio (cuInSe2, ou CIS): um filme fino de material policristalino, que experimentalmente chega aos 17% de eficiência. Módulos de grandes dimensões atingem 11%.

- Silício amorfo (a-Si): usado na sua maioria em produtos de consumo como relógios e calculadoras, a tecnologia a-Si e também usada em sistemas de edificações integradas, trocando o vidro de cor por módulos semitransparentes.


Os painéis atualmente mais comercializados são compostos por conjuntos de células de silício monocristalino ou policristalino, ligadas em paralelo ou em série, e com rendimentos que variam entre os 10 e 13%. A potência destes depende do tipo de ligação feita entre as diversas células (em série ou paralelo). Esta potência pode variar desde poucos Watts até 200 Watts (valores de equipamento comercializado).

Sistemas solares fotovoltaicos

Além do painel fotovoltaico o sistema é geralmente composto por:

- grupo acumulador (baterias): onde a energia é armazenada para uso posterior quando não há luz solar;

- um controlador de carga: de forma a gerir a "entrada" e "saída" de energia das baterias;

- inversor de corrente: uma vez que os painéis produzem Corrente Contínua, e a maior parte dos eletrodomésticas consomem Corrente Alterna;

- sistema de apoio: quando a energia solar disponível é insuficiente.
 
Esquema sistema Fotovoltaico

Outras tecnologias

Outros mecanismos de aproveitamento da energia solar térmica são:

- fornos ou cozinhas solares: os três tipos básicos de cozinhas são:

- a cozinha de refletores parabólicos onde a luz solar é focada num ponto ou ao longo dum eixo axial onde é colocado o alimento ou o recipiente.

- a cozinha de caixa consiste numa caixa com uma cobertura transparente, para criar efeito de estufa, e de refletores para aumentar a radiação incidente.

- a cozinha de painel consiste num conjunto de refletores que focam a luz solar diretamente no recipiente com a comida e de forma a reter o calor este recipiente é rodeado por um saco de plástico ou um balão de vidro.

 

Cozinha Solar - Fonte: Ao Sol

- dessalinizadores: ao incidir os raios solares na caixa do dessanilizador as moléculas de água da solução salina ganham energia até eventualmente evaporarem ficando o sal no fundo do recipiente. As gotas de água dessalinizada condensam na parte interior da cobertura transparente (inclinada) e escorrem para um canal.

- destoxificadores: é possível o aproveitamento dos raios UV para a descontaminação de efluentes orgânicos contaminados, fazendo passar estes efluentes através de tubos transparentes que são "iluminados" por espelhos com configurações de parábolas ou CPC, tendo uma grande vantagem que é a de poderem funcionar mesmo quando exista nebulosidade, uma vez que as nuvens são transparentes aos raios UV.
  Sistema de dextosificador - Fonte: Ao Sol
 
Tecnologias passivas

- orientação do imóvel (ganhos direto): uma boa orientação, disposição interior das frações e de elementos verticais transparentes com devida proteção (janelas, solários, clarabóias), pode evitar até 20% das necessidades de aquecimento.

- isolamento térmico dos edifícios: construções em paredes duplas com isolamento intermédio, janelas com vidro duplo, e outro tipo de isolamentos são soluções que diminuem bastante as cargas térmicas, tanto de aquecimento como de arrefecimento, nos edifícios.
 
Solario

- paredes trombe: paredes com grande inércia térmica, que são usadas para "guardar" o calor quando a parede e atingida pela radiação solar. Esta energia acumulada é depois radiada diretamente para o interior do edifício a partir da outra face da parede, sendo possível o seu arejamento através de duas aberturas.
parede trombe Esquema de parede Trombe