A Energia Solar - Fotovoltaica

A Energia Solar - Fotovoltaica

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

Tecnologias solares são amplamente caracterizadas como ativas ou passivas, dependendo da forma como captura, converte e distribui a energia solar. Entre as técnicas solares ativas estão o uso de painéis fotovoltaicos, concentradores solares térmicos das usinas heliotérmicas e os aquecedores solares. Entre as técnicas solares passivas estão a orientação de um edifício para o Sol, a seleção de materiais com massa térmica favorável ou propriedades translúcidas e projetar espaços que façam o ar circular naturalmente.

• Na geração fotovoltaica, a energia luminosa é convertida diretamente em energia elétrica. Nas usinas heliotérmicas, a produção de eletricidade acontece em dois passos: primeiro, os raios solares concentrados aquecem um receptor e, depois, este calor (350ºC - 1000ºC) é usado para iniciar o processo convencional da geração de energia elétrica por meio da movimentação de uma turbina. No aquecimento solar, a luz do Sol é utilizada para aquecer a água de casas e prédios (≈80ºC), o objetivo aqui não é a geração de energia elétrica.

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

• Nós usamos essa energia quando queimamos lenha ou combustíveis minerais. Existem técnicas experimentais para criar combustível a partir da absorção da luz solar em uma reação química de modo similar à fotossíntese vegetal — mas sem a presença destes organismos. A radiação solar, juntamente com outros recursos secundários de alimentação, tal como a energia eólica e das ondas, hidro-eletricidade e biomassa, são responsáveis por grande parte da energia renovável disponível na Terra. Apenas uma minúscula fracção da energia solar disponível é utilizada.

Em 2011, a Agência Internacional de Energia disse que "o desenvolvimento de tecnologias de fontes de energia solar acessíveis, inesgotáveis ​​e limpas terá enormes benefícios a longo prazo. Ele vai aumentar a segurança energética dos países através da dependência de um recurso endógeno, inesgotável e, principalmente, independente de importação, o que aumentará a sustentabilidade, reduzirá a poluição, reduzirá os custos de mitigação das mudanças climáticas e manterá os preços dos combustíveis fósseis mais baixos. 

• Estas vantagens são globais. Sendo assim, entre os custos adicionais dos incentivos para a implantação precoce dessa tecnologia devem ser considerados investimentos em aprendizagem; que deve ser gasto com sabedoria e precisam ser amplamente compartilhados".

Potencial:

• A Terra recebe 174 petawatts (GT) de radiação solar (insolação) na zona superior da atmosfera. Dessa radiação, cerca de 30% é reflectida para o espaço, enquanto o restante é absorvido pelas nuvens, mares e massas terrestres. O espectro da luz solar na superfície da Terra é mais difundida em toda a gama visível e infravermelho e uma pequena gama de radiação ultravioleta.

A superfície terrestre, os oceanos e atmosfera absorvem a radiação solar, e isso aumenta sua temperatura. O ar quente que contém a água evaporada dos oceanos sobe, provocando a circulação e convecção atmosférica. Quando o ar atinge uma altitude elevada, onde a temperatura é baixa, o vapor de água condensa-se, formando nuvens, que posteriormente provocam precipitação sobre a superfície da Terra, completando o ciclo da água. 

• O calor latente de condensação de água aumenta a convecção, produzindo fenômenos atmosféricos, como o vento, ciclones e anti-ciclones. A luz solar absorvida pelos oceanos e as massas de terra mantém a superfície a uma temperatura média de 14 °C. A fotossíntese das plantas verdes converte a energia solar em energia química, que produz alimentos, madeira e biomassa a partir do qual os combustíveis fósseis são derivados.

A energia solar pode ser aproveitado em diferentes níveis em todo o mundo. Consoante a localização geográfica, quanto mais perto do equador, mais radiação solar pode ser potencialmente captada para produção de energia solar. porém, as áreas localizadas perto do Equador em geral como a Amazônia e Florestas da Nigéria possuem menos radiações solares do que lugares nas latitudes 20º e 30º como o Deserto do Saara e o Deserto do Atacama.

• As áreas de deserto, onde as nuvens são baixas e estão localizadas em latitudes próximas ao equador são mais favoráveis à captação energia solar. Os desertos que se encontram relativamente perto de áreas de maior consumo energético em países desenvolvidos, que têm a sofisticação técnica necessária, são usados para a captura de energia solar. Realizações cada vez mais importantes como o Deserto de Mojave (Califórnia), onde existe uma usina termo solar com uma capacidade total de 354 MW.

O total de energia solar absorvida pela atmosfera terrestre, oceanos e as massas de terra é de aproximadamente 3.850.000 exajoules (EJ) por ano. Em 2002, isto equivalia a mais energia em uma hora do que a humanidade usa em um ano. A fotossíntese capta cerca de 3,000 EJ por ano em biomassa. A quantidade de energia solar que atinge a superfície do planeta é tão grande que, em um ano, é o mesmo que cerca de duas vezes o que seria obtido a partir de todos os recursos não-renováveis da Terra combinados, como carvão, petróleo, gás natural e urânio.

• A energia solar potencial que poderia ser utilizada por humanos é diferente da quantidade presente da energia solar próxima da superfície terrestre, pois fatores como geografia, variação climática, cobertura de nuvens e terras disponíveis para seres humanos limitam a quantidade de energia solar que nós podemos adquirir. 

Efeitos geográficos potenciais ocorrem porque as áreas que estão mais perto do equador recebe uma maior quantidade de radiação solar. No entanto, a utilização de tecnologias de energia fotovoltaica que podem seguir a posição do Sol pode aumentar de forma significativa o potencial da energia solar em áreas que estão mais distantes do equador.

• Além disso, a disponibilidade de terra tem um grande efeito sobre a energia solar disponível, porque os painéis solares só podem ser instalados em áreas que não têm dono e que sejam adequadas para este tipo de equipamento. Telhados são geralmente considerados um lugar adequado para células solares, sendo que muitas pessoas descobriram que elas podem coletar energia diretamente através de suas casas desta forma.

Técnicas solares ativas usam energia fotovoltaica, energia solar concentrada, coletores solares térmicos, bombas e ventiladores para converter a luz solar em resultados úteis. As técnicas solares passivas incluem a seleção de materiais com propriedades térmicas favoráveis, projetando espaços por onde o ar circula naturalmente e referenciando a posição de um edifício em relação ao Sol. As tecnologias solares ativas aumentam a oferta de energia, enquanto as tecnologias solares passivas reduzem a necessidade de recursos alternativos.

• Em 2000, o Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento, o Departamento de Assuntos Econômicos e Sociais das Nações Unidas e o Conselho Mundial de Energia publicaram uma estimativa da energia solar potencial que poderia ser usada por seres humanos a cada ano que levou em conta fatores como a insolação, a cobertura de nuvens, e a terra que é utilizável por seres humanos. 

A estimativa encontrada tem um potencial global 1,575-49,837 EJ por ano. De acordo com um estudo publicado em 2007 pelo Conselho Mundial da Energia, em 2100, 70% da energia consumida será de origem solar.

Energia elétrica:

• A energia solar é a conversão da luz solar em eletricidade, quer diretamente utiliza energia fotovoltaica (PV - sigla em inglês), ou indiretamente, utiliza energia solar concentrada (CSP). Sistemas CSP usam lentes ou espelhos para focar uma grande área de luz solar em uma pequena viga, enquanto a PV converte a luz em corrente elétrica usando o efeito fotoelétrico. Em 2013, a energia solar gerava menos de 1% do total da rede mundial de eletricidade.

Estima-se que a energia solar se torne a maior fonte mundial de eletricidade em 2050, sendo que a energia solar fotovoltaica e a energia solar concentrada contribuirão com 16 e 11 por cento da demanda de consumo global, respectivamente.

• Usinas solares comerciais foram desenvolvidas na década de 1980. Desde 1985 a instalação SEGS CSP, de 354 MW, no deserto de Mojave, na Califórnia, é a maior usina de energia solar do mundo. Outras grandes usinas incluem a Usina Solar de Solnova (150 MW) e a Usina Solar de Andasol (100 MW), ambas na Espanha. 

O Agua Caliente Solar Project, de 250 MW, nos Estados Unidos, e o Parque Solar Charanka (221 MW), na Índia, são maiores centrais fotovoltaicas do mundo. Estão sendo desenvolvidos projetos de energia solar superiores a 1 GW, mas a maioria das células fotovoltaicas implantadas estão em pequenas matrizes de telhado de menos de 5 kW, que são ligadas à rede.

Fotovoltaica:

• Nas últimas duas décadas, a energia fotovoltaica (PV) evoluiu de um nicho de mercado puro de aplicações de pequena escala para se tornar uma fonte de eletricidade relevante. Uma célula solar é um dispositivo que converte a luz em energia elétrica diretamente, através do uso do efeito fotoelétrico. 

A primeira célula solar foi construída por Charles Fritts na década de 1880. Em 1931, um engenheiro alemão, Dr. Bruno Lange, desenvolveu uma célula fotovoltaica usando selenito de prata no lugar de óxido de cobre.

• Embora os protótipos das células de selênio convertessem menos de 1% da luz incidente em eletricidade, tanto Ernst Werner von Siemens quanto James Clerk Maxwell reconheceram a importância desta descoberta.Na sequência do trabalho de Russell Ohl na década de 1940, os pesquisadores Gerald Pearson, Calvin Fuller e Daryl Chapin criaram a célula solar de silício cristalino, em 1954. Estas primeiras células solares custavam US$ 286/watt e alcançavam eficiências de 4,5-6%.Até 2012 eficiências disponíveis excediam 20%, sendo que o máximo de eficiência da energia fotovoltaica é superior a 40%.

O maior complexo de energia fotovoltaica do mundo em funcionamento é a Solar Star, uma usina solar de 579 megawatt localizada próxima de Rosamond, na Califórnia, Estados Unidos. Foi inaugurada em junho de 2015. No entanto, quando o Parque Solar de Charanka, no estado de Gujarate, na Índia, estiver em pleno funcionamento, ele irá se tornar a maior usina fotovoltaica do planeta, com uma capacidade instalada de 600 MW.

Concentrada:

• Sistema de concentração de energia solar (CSP) usam lentes ou espelhos e sistemas de rastreamento para focar uma grande área de luz solar em uma pequena viga. O calor concentrado é então usado como uma fonte de calor para uma central de energia convencional.

Uma vasta gama de tecnologias de concentração existem atualmente; as mais desenvolvidas são as calhas parabólicas, o refletor linear, o prato Stirling e a torre de energia solar. 

• Várias técnicas são usadas para rastrear o Sol e focalizar a sua luz. Em todos estes sistemas, um fluido de trabalho (liquido que torna a máquina mais precisa) é aquecido pela luz solar concentrada e é então utilizado para geração de energia ou armazenamento de energia.

A maior usina solar térmica do mundo, que usa sistemas de concentração de energia solar, é a Usina de Ivanpah, no deserto de Mojave, na Califórnia, há 64 quilômetros da cidade de Las Vegas. O complexo tem uma capacidade bruta de produzir 392 MW.

Uso da Energia Solar para Geração de Eletricidade:

Aquecimento de Água:

• Desde tempos imemoriais, o homem necessita manipular as fontes de energia para manter, prolongar e tornar mais confortável sua própria sobrevivência.

A descoberta do fogo propiciou ao homem pré-histórico um salto de qualidade nas suas rudes condições de vida, principalmente em função da possibilidade de manter aquecidos e iluminados seus abrigos. Este conforto conduziu rapidamente a mudanças na sua alimentação ao proporcionar os primeiros rudimentos do processamento dos alimentos, basicamente caça.Esta descoberta também favoreceu a fixação da moradia em cavernas, tendo sido um passo importante na evolução da espécie humana.

• A utilização das fontes naturais de energia continuou evoluindo, acompanhando o desenvolvimento cultural da humanidade. O homem sempre dispôs do sol a aquecer o planeta e favorecer as colheitas na agricultura; dos ventos que graças à engenhosidade humana foi muito bem aproveitado como força motora, principalmente em moinhos e no transporte marítimo e fluvial; das águas dos rios desviadas desde há muitos séculos para mover moinhos possibilitando o processamento de grãos, e mais recentemente na geração de energia elétrica.

A civilização como a conhecemos hoje, teve sua evolução e desenvolvimento baseado inicialmente na força física. O homem conseguiu controlar e usar a tração animal que foi, muito tempo a única forma de produzir trabalho com menor esforço próprio. Os animais foram utilizados no transporte de cargas, na tração de veículos e de algumas máquinas rudimentares, como alguns tipos de engenhos e olarias.

• Mas o engenho humano e a criatividade foram se desenvolvendo ao longo dos séculos e o homem aprendeu, pela observação, curiosidade e experimentação, a utilizar a energia de algumas outras fontes independentes dessa força física dos animais.

As primeiras máquinas desenvolvidas com esta finalidade foram as rodas hidráulicas e os moinhos de vento, que significaram um avanço importante na capacidade de produzir trabalho – ou potência – mesmo que até então o objetivo fosse apenas conseguir produzir mais com menor esforço. Qualitativamente só foi verificado um verdadeiro e significativo avanço a partir dos séculos XVII e XVIII, com o desenvolvimento da máquina a vapor e do motor de combustão interna.

• O desenvolvimento das turbinas a vapor e motores de combustão interna proporcionou não só um incremento significativo da potência das máquinas existentes como levou à produção de novas unidades, elevando consideravelmente a capacidade de produção do homem. O consumo de combustíveis, até então limitado às atividades domésticas como aquecimento e preparação de alimentos cresceu de forma muito rápida.

Um crescimento exponencial desse consumo se iniciou com a Revolução Industrial do século XVIII, e como bem sabemos, não parou e nem dá sinais de que possa diminuir.Mais recentemente, a evolução tecnológica levou o homem a um consumo cada vez maior de energia em todas as formas disponíveis, com notável crescimento do consumo de combustíveis fósseis, definindo uma matriz energética mundial amplamente baseada no petróleo.

• O consumo atual de combustíveis fósseis responde por algo em torno de 97% de toda energia consumida no planeta. O pior é constatar que os hidrocarbonetos poderiam ser muito melhor utilizados na indústria química ao invés de serem simplesmente queimados nos motores de nossas máquinas.

Sabemos que as reservas desses combustíveis são finitas e já se pode prever sua total exaustão, considerando as reservas conhecidas e o ritmo de crescimento do consumo.Frente às previsões de exaustão das fontes de energia baseadas no petróleo, a ciência se volta para a natureza tentando aproveitar os recursos disponíveis, que são abundantes, limpos e renováveis.

• A dependência geográfica e política das nações não produtoras de petróleo daquelas ricas na ocorrência de bacias petrolíferas e as conseqüências de sua utilização para o meio ambiente forçou a busca por fontes de energia renovável, com custo potencialmente mais baixo a médio e longo prazo, custo esse aferido por critérios econômicos, sociais e ambientais. Basicamente, as fontes de energia renováveis mais conhecidas são a energia eólica, solar, biomassa e hidráulica. 

E dentre todas as alternativas já estudadas e testadas, o aproveitamento da energia do sol se mostra como uma das mais adequadas no momento atual. O presente trabalho ater-se-á à pesquisa da energia solar como forma de geração de energia elétrica e aquecimento de água para consumo doméstico (estudo de caso).

A energia que vem do Sol:

• O Sol é, sob todos os aspectos, responsável direto pela manutenção da vida em nosso planeta; e é a origem de todas as formas de energia conhecidas, direta ou indiretamente.

É uma imensa bola de gases incandescentes com um volume de cerca de 1,3 milhões de vezes o volume do nosso planeta. Uma gigantesca usina de força que consome 4 milhões de toneladas de matéria por segundo, mas ainda continuará a aquecer e iluminar a Terra por alguns bilhões de anos.

• A energia que Terra recebe do Sol anualmente é estimada em 1.7 x 1017 W. Este número representa correspondente a cerca de 1000 vezes o consumo mundial de energia em todas as formas conhecidas. Em comparação com todas as outras formas de energia utilizadas no nosso planeta, podemos dizer que o Sol é uma fonte inesgotável de energia. O que a humanidade precisa é a ciência descubra e desenvolva formas de melhor aproveitar todo esse potencial em seu benefício.

Mas também é fato que nem todo este potencial pode ser aproveitado; pelo menos 30% de toda a radiação solar que atinge a nossa atmosfera e a superfície do planeta são refletidos ao espaço. Outros 47% aproximadamente são absorvidos pela atmosfera e pela superfície do planeta – continentes e oceanos - gerando variações de temperatura, sendo também devolvidos ao espaço.

• Assim, de toda a energia que o Sol transmite à Terra, apenas 23% vão efetivamente ser utilizados na geração de algum tipo de trabalho, atuando no clima, nos ventos, ondas, correntes e até no ciclo da água em todo o planeta. Finalmente, apenas 0,22% - cerca de 4,0 x 1010 kW, vão penetrar no sistema biológico terrestre, por fotossíntese; isto é uma conversão de energia solar em energia química nos organismos vivos.

Uma pequena parcela da energia armazenada como energia química em plantas e tecidos de corpos animais se acumulou com durante milhões de anos, sob condições geológicas favoráveis, na forma de carvão e óleos minerais, convertendo-se em reservas de combustíveis fósseis.

• Todas as reservas de combustíveis fósseis foram formadas ao longo de milhões de anos em função de mudanças drásticas verificadas nos sistemas biológicos e geológicos. Nos dias atuais, pode-se dizer que é praticamente nula a formação de novos depósitos, ao passo que o consumo continua acelerado, levando ao inexorável esgotamento dessas reservas num horizonte não muito distante.

A energia solar é como já mencionado anteriormente, inesgotável e gratuita. Entretanto, os equipamentos que permitem seu aproveitamento, principalmente na conversão em energia elétrica ainda são caros e inacessíveis à maioria da população. Mas, com o aumento da produção e utilização desses equipamentos, o custo total as instalações tende a diminuir, e assim, poderá beneficiar de forma direta um número maior de pessoas. 

• Quanto maior for a utilização de energia elétrica e térmica oriundas de coletores solares, maior será a preservação do meio ambiente; as pessoas que utilizam a energia elétrica de origem fotovoltaica estão evitando o consumo de combustíveis fósseis e numa análise mais avançada, estão contribuindo para a diminuição da necessidade de alagamentos provocados por usinas hidroelétricas.

Podemos vislumbrar para o futuro que boa parte da população mundial poderá utilizar energia elétrica de origem fotovoltaica até o final deste século. Se considerarmos que apenas uma pequena fração de toda energia radiante que atinge a superfície da Terra, se bem aproveitada, pode representar uma grande redução no consumo de petróleo e seus derivados, entenderemos melhor o verdadeiro potencial desta fonte limpa e renovável no suprimento de energia e na conservação dos outros recursos naturais não renováveis. Em apenas uma hora o Sol despeja sobre a Terra uma quantidade de energia superior ao consumo global de um ano inteiro. Energia gratuita, renovável e não poluente. 

• Diferente dos aquecedores solares de água comuns atuais, o efeito fotovoltaico transforma a energia luminosa proveniente do Sol em eletricidade para abastecer lâmpadas, TVs, bombas e dessalinizadores de água, computadores, refrigeradores e mais quaisquer outros equipamentos elétricos.

A humanidade vai ter cada vez mais necessidade de energia e a depender das fontes convencionais, terá também cada vez mais dificuldade em obtê-la. Daí a urgência no desenvolvimento de novas tecnologias visando ao aproveitamento de fontes renováveis e limpas, que possam propiciar o desenvolvimento de maneira sustentável e preservacionista.

• Entre outras fontes alternativas cujas tecnologias estão avançando, a energia elétrica de origem fotovoltaica aparece como uma das principais formas de substituir os métodos conhecidos de geração de eletricidade.

Radiação Solar:

• Antes de atingir o solo, as características da radiação solar (intensidade, distribuição espectral e angular) são afetadas por interações com a atmosfera devido aos efeitos de absorção e espalhamento. 

Estas modificações são dependentes da espessura da camada atmosférica, também identificada por um coeficiente denominado "Massa de Ar" (AM), e, portanto, do ângulo Zenital do Sol, da distância Terra-Sol e das condições atmosféricas e meteorológicas. (Cresesb, 2001).

Radiação Solar no Nível do Solo:

• Nem toda a radiação solar que atinge as camadas mais externas da atmosfera terrestre consegue chegar ao nível do solo.

A maior parte é refletida de volta ao espaço ou absorvida pela atmosfera, e somente uma pequena parcela chega à superfície, parcela esta que pode ser decomposta em duas componentes, a componente de feixe ou componente direta a energia difusa ou componente difusa. (CRUZ, 2001).

• Acrescente-se que no caso de superfícies receptoras não horizontais, mais uma componente da radiação se manifesta, refletida pelo ambiente – rochas, plantas e demais obstáculos existentes nas proximidades da superfície refletora. O coeficiente de reflexão destas superfícies é denominado de "albedo".

A radiação solar nunca vai ser captada de forma constante e homogênea, principalmente devido ao movimento de rotação da Terra, que proporciona a alternância entre dias e noites. Além disso, as variações climáticas oriundas da passagem das estações do ano, os períodos de maior nebulosidade ou dias chuvosos contribuem para a grande variação na intensidade da captação e isso sempre leva às dificuldades relativas ao dimensionamento do sistema mais apropriado de estocagem da energia resultante do processo de conversão.

• Observa-se que somente a componente direta da radiação solar pode ser submetida a um processo de concentração dos raios através de espelhos parabólicos e lentes. Consegue-se através da concentração, uma redução substancial da superfície absorvedora solar e um aumento considerável de sua temperatura. (CRUZ, 2001).

Medir a radiação solar que chega à superfície da Terra é um desafio da maior importância na identificação e quantificação da influência das condições atmosféricas e climáticas que podem interferir na eficiência das instalações de captação e conversão da energia solar em energia térmica, elétrica, etc.

Solarimetria e instrumentos de medição:

• Um estudo apropriado dos resultados dessas medições é importante fator na definição da viabilidade de plantas fototérmicas e fotovoltaicas para cada região onde se pretenda construir sistemas de captação e conversão, visando o melhor aproveitamento das condições climáticas e atmosféricas ao longo do ano. Isto é particularmente importante nas regiões onde se observam maiores variações de insolação e de temperaturas médias, porque se busca sempre o melhor aproveitamento da radiação durante todos os meses do ano.

Os instrumentos solarimétricos medem a potência incidente por unidade de superfície, integrada sobre os diversos comprimentos de ondas. As medições padrão são a radiação total e a componente difusa no plano horizontal e a radiação direta normal. 

• Os sensores de radiação usam habitualmente uma termopilha que mede a diferença de temperatura entre duas superfícies, uma pintada de preto e outra pintada de branco igualmente iluminadas. Há também sensores que funcionam pela expansão diferencial de um par bimetálico. Esta expansão provoca um diferencial de temperatura entre as duas superfícies metálicas (uma pintada de preto e a outra de branco) que, ao ser conectada uma pena, registra o valor instantâneo da energia solar. (CRUZ, 2001).

A própria célula fotovoltaica de silício monocristalino é utilizada em muitas situações para medições solarimétricas, pelo seu baixo custo em comparação com equipamentos tradicionais.Entretanto, observa-se que os resultados obtidos por esses equipamentos são limitados pela sensibilidade mais baixa, em torno de 60%.

A Energia Solar - Fotovoltaica

Energia Solar:

Captação e Conversão

• No caso específico da energia solar, são conhecidas basicamente três formas de captação e conversão, quais sejam: química, elétrica e térmica. Por isso procuramos desenvolver e dimensionar sistemas de captação e utilização racional de outras formas de energia.

As formas mais importantes de conversão química da energia solar são os processos foto-bioquímicos. Os organismos biológicos classificados como produtores sintetizam carboidratos a partir de água e dióxido de carbono, absorvendo energia solar e a armazenando em forma de ligações químicas. Essa energia se dissipa através da cadeia alimentar e, em última instância é re-irradiada ao espaço.

• A conversão direta da energia solar em energia elétrica pode ocorrer através de dois processos, de acordo com Mendes (1998, p. 82): “conversão termoelétrica e conversão fotoelétrica, cada um deles podendo ser realizado de diversas maneiras”.

Segundo SZOKOLAY, 1991:

Os métodos de conversão térmica da energia solar se fundamentam na absorção da energia radiante por uma superfície negra. Este pode ser um processo complexo, que varia segundo o tipo de material absorvente. Envolve difusão, absorção de fótons, aceleração de elétrons, múltiplas colisões, mas o efeito final é o aquecimento, ou seja, toda a energia radiante se transforma em calor. As moléculas das superfícies se excitam, ocorrendo um incremento na temperatura. O coeficiente de absorção de vários tipos de absorventes negros varia entre 0,8 e 0,98 (os 0,2 ou 0,02 restantes se refletem). (SZOKOLAY, 1991, p. 124).

Toda essa movimentação dos elétrons das moléculas superficiais e naturalmente o calor gerado vai se transmitir, uma parcela às outras partes do corpo pelo fenômeno da condução e o restante volta ao meio ambiente graças aos processos radiantes e às formas de convecção.

• A emissão ou perda de calor é diretamente dependente da diferença de temperatura entre o ambiente e a superfície do corpo. Esta troca de calor prossegue à medida que aumenta a temperatura superficial até atingir a temperatura de equilíbrio.

Szokolay (1991) salienta que:

Se a superfície da placa do absorvedor se cobre com uma lâmina de vidro (com um espaço de ar de 20-30 mm), reduz-se muito a perda de calor, sem grande redução de admissão de calor. Isto se deve a transmitância seletiva do vidro, que é muito transparente para radiações solares de alta temperatura e onda curta, mas virtualmente opaco para radiações infravermelhas de amplitudes de onda maiores, emitidas pela placa do absorvedor a cerca de 100ºC. (SZOKOLAY, 1991, p. 129).

Inicialmente, trataremos dos sistemas de aproveitamento térmico. O calor recolhido nos coletores pode ser destinado a satisfazer numerosas necessidades, desde a obtenção de água quente para o consumo doméstico ou industrial, o aquecimento de casas, escolas, fábricas, até a climatização de piscinas.

• Várias aplicações já são atualmente viáveis, tais como purificadores e dessalinizadores de água, secadores de grãos, estufas entre outras aplicações agrícolas, Instalações como estas, baseadas na captação da energia solar podem funcionar com baixo ou nenhum consumo de energia adicional, proporcionando grande economia.

Uma outra aplicação bastante viável é a construção das chamadas casas solares, um desafio tecnológico e arquitetônico que apresenta resultados bastante satisfatórios do ponto de vista do aproveitamento da energia solar para iluminação e calefação, com redução significativa do consumo de outras formas de energia – combustíveis e energia elétrica. 

Wolfgang (1994) afirma que:

Os captadores são a formas mais comuns de captação de energia, convertem a energia solar com baixo custo e de forma conveniente. O processo geral empregado é o de efeito estufa, o nome vem da própria aplicação, em estufas, onde se podem criar plantas exóticas em climas frios, pela melhor utilização da energia solar disponível. WOLFGANG (1994, p. 69).

Cores escuras absorvem a radiação solar – luz e calor, ao passo que as cores claras a refletem. Assim, a reflexão será tanto maior quanto mais próxima do branco for a cor da superfície; tanto maior será a absorção de radiação para as superfícies mais escuras, mais próximas da cor negra. Não é por outro motivo que as placas dos coletores são pintadas de preto fosco. A esta propriedade das superfícies escuras se junta a capacidade que tem o vidro de reter parte da radiação emitida pelas superfícies escuras, quando colocado acima dessa superfície, a uma distância em torno de 2 a 3 cm; a conjugação dessas propriedades pode ser muito bem aproveitada na conversão da energia radiante em energia térmica.

• À medida que vai aumentando a temperatura da chapa negra, parte do calor vai sendo dissipada na forma de radiação infravermelha. Isto ocorre porque o receptor – a placa metálica na cor preto fosco – tem propriedades próximas daquelas de um corpo negro ideal que é alta taxa de absorção associado a um alto coeficiente de emissão para os vários comprimentos de onda.

Esta emissão, de acordo com a Lei de Wein, aumenta com a temperatura: onde T é a temperatura superficial do corpo negro e max o comprimento em que a emissão de luz atinge o máximo. 

Segundo Antunes (1999):

O Sol emite radiação como um corpo negro cuja temperatura superficial esta por volta de 5700ºC; isto corresponde a uma emissão máxima a 0,5 μm. Um corpo negro a temperatura ambiente emite radiação com um máximo perto de 10 μm, o que está dentro do espectro da luz infravermelha, invisível. O vidro relativamente transparente à luz visível é absorvente para a luz infravermelha emitida pela chapa negra quando emite sua energia térmica. A luz infravermelha absorvida pelo vidro é reemitida para a chapa negra que a absorve de novo. 

• Mais e mais calor é acumulado na chapa preta, atinge-se o equilíbrio quando a energia ganha pela absorção de luz visível é exatamente equilibrada pela perda de energia pela emissão infravermelha da chapa de vidro. Com a elevação da temperatura, o comprimento de onda da emissão infravermelha torna-se mais curto. A 200ºC (473 K), a radiação máxima é emitida a cerca de 6 μm, em comparação com 10 μm à temperatura ambiente. 

Finalmente, a cerca de 500ºC (773 K), a maior parte da radiação seria emitida a 4 μm, a cujo comprimento de onda o vidro é parcialmente transparente para o infravermelho.

[...] Segue-se que um efeito de estufa eficiente é possível apenas abaixo de 500ºC. Porém, a menos que a concentração da radiação solar esteja combinada com o efeito de estufa, as temperaturas de equilíbrio são muito inferiores porque na prática, a temperatura de equilíbrio é ainda mais reduzida por perdas de calor da chapa negra, devido à condutividade térmica e convecção no ar. ANTUNES (1999, p. 145).

No caso do aproveitamento da energia solar na conversão direta em eletricidade, é de fundamental importância o correto dimensionamento das células em função da aplicação prevista.

De acordo com Wolfgang (1994):

As células solares, dispostas em painéis solares já produziam eletricidade nos primeiros satélites espaciais e, atualmente, são uma solução para a eletrificação rural, com clara vantagem sobre alternativas. 

A energia elétrica obtida a partir destas células pode ser usada de maneira direta, como para se retirar água de um poço com uma bomba elétrica, ou ser armazenada em acumuladores para ser utilizada durante a noite. É possível, inclusive, inserir a energia excedente na rede geral, obtendo um importante benefício. WOLFGANG (1994, p. 67).

• Hoje, é necessário acelerar um ciclo que inclua a fabricação em escala cada vez maior de células fotovoltaicas e sua conseqüente aplicação para as diversas finalidades tais como a eletrificação residencial em regiões não atendidas pelas concessionárias de energia elétrica. 

Já são utilizados sistemas de iluminação residencial, bombeamento de águas subterrâneas, entre outros. Os custos iniciais das instalações ainda são altos, mas certamente o crescimento da demanda por este tipo de equipamento forçará a indústria a incrementar sua produção, o que fatalmente contribuirá para a diminuição do preço final.

• Assim pode-se prever que no médio prazo já tenhamos uma parcela significativa da demanda de energia elétrica suprida por instalações de conversão fotovoltaicas. No âmbito dos protótipos já se avança também na tecnologia da fabricação de carros solares. 

Tais veículos têm boa parte de sua superfície coberta por painéis solares para conversão de energia solar em energia elétrica que é armazenada em baterias para suprir os motores.

Alternativas de aproveitamento da energia solar:

Células solares fotovoltaicas:

• A energia solar pode ser usada na geração contínua de eletricidade. O desenvolvimento da tecnologia, como sempre acontece se deve ao suprimento de uma necessidade não atendida pelas formas convencionais conhecidas até então.

As primeiras células solares foram desenvolvidas na década de 50 para serem utilizadas em satélites artificiais pela gigante americana de comunicações Bell Telephone. A eficiência dessas células ainda hoje é baixa, cerca de 18% porque a maior parte da energia radiante coletada se perde na forma de calor.

• A construção das células solares nada mais é que a montagem de pastilhas de semicondutores constituídos de cristais de silício nos quais se introduzem impurezas ou dopantes (pequenas porcentagens de boro - também denominado dopante tipo “p” ou arsênio – dopante tipo “n”). 

Estas “impurezas” criam na pastilha semicondutora regiões com características opostas: regiões do tipo “n”, onde há excesso de elétrons enquanto na região “p” apresentam-se lacunas que podem ser preenchidas por elétrons. A luz, ao atingir o cristal, provoca uma excitação nos elétrons que passam a se deslocar pelo semicondutor e daí resulta uma corrente elétrica (corrente contínua).

• Ainda hoje existem dificultadores para utilização desta tecnologia em larga escala. O primeiro deles é o alto custo dos equipamentos – placas coletoras e sistemas de armazenamento – banco de baterias. Outro complicador continua sendo a baixa eficiência dos sistemas de captação que apresentam perdas elevadas em forma de calor. 

A título de exemplo, uma instalação fotovoltaica para operação de um aquecedor elétrico de 500 W deve ter no mínimo 2,5 m2 de área de captação (área das células) com aproveitamento máximo da radiação solar.

• O efeito fotovoltaico é conhecido desde 1839 quando Edmond Becquerel o descreveu como sendo o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. Mas esse efeito só começou a ser pesquisado em larga escala a partir de 1954 por cientistas da área espacial que buscavam uma forma eficiente de fornecer energia aos equipamentos dos satélites de comunicação colocados em órbita. 

Desde então a energia solar fotovoltaica tem se desenvolvido de forma crescente e começa a se fazer cada vez mais presente em regiões não abastecidas pela rede pública.

Tipos de Células:

• De acordo com Moore (1996), existem diferentes tipos de células, explicitadas a seguir:

Silício Monocristalino:

• A célula de silício monocristalino é a de maior aplicação como conversor direto de energia solar em eletricidade e a tecnologia para sua fabricação já é bastante conhecida. A fabricação da célula de silício começa com a extração do cristal de dióxido de silício. 

O mineral então passa por um processo de desoxidação e purificação em fornos específicos. Ao final do processo, já novamente solidificado, o material já atinge um grau de pureza da ordem de 98 e 99% o que é razoavelmente eficiente sob o ponto de vista energético e de custo de produção.

• O processo de purificação deve ser estendido até atingir um grau de pureza comumente denominado de quatro noves, ou seja, um grau de pureza da ordem de 99,9999%. Para se obter o silício com este grau de pureza, o processo mais utilizado é o processo Czochralski.

O processo consiste em fundir o silício com uma pequena quantidade do dopante do tipo “p”, normalmente o boro. Um cristal é utilizado como “semente”, com a orientação cristalográfica apropriada e durante o processo, com total controle de temperatura, vai se formando um bloco cilíndrico de silício monocristalino levemente dopado, devidamente orientado do ponto de vista cristalográfico, e com as características desejadas, principalmente a pureza no grau desejado.

• Para a montagem da célula, este cilindro é cortado, perpendicularmente ao eixo cristalográfico principal, em finas lâminas com espessura da ordem de 300μm. Lembramos que estas lâminas, após o corte, limpeza para retirada de qualquer impureza superficial, ainda não está pronta para sua utilização na célula. 

Falta ainda introduzir as impurezas ou dopante do tipo “n” para formar a junção “pn”. Isto vai ser conseguido através de um processo de difusão controlada com a exposição das lâminas de silício ao vapor de fósforo num forno com temperatura mantida numa faixa entre 800° e 1000°C.

• As fotocélulas comerciais obtidas com o processo descrito atingem uma eficiência de até 15% podendo chegar em 18% em células feitas em laboratórios. (MOORE, 1996, p. 145).

Silício Policristalino:

• As células de silício policristalino são muitas vezes a opção mais interessante do ponto de vista econômico por serem bem mais baratas que as de silício monocristalino. Esta vantagem se deve a uma menor exigência no processo de preparação de preparação das pastilhas.

Obviamente deve ser esperada uma menor eficiência; na verdade, a eficiência final de uma célula de silício policristalino cai um pouco em comparação as células de silício monocristalino. O processo de purificação do silício utilizado na produção das células de silício policristalino é similar ao processo do Si monocristalino, porém com níveis de controle inferiores, o que se traduz, no fim do processo numa eficiência um pouco menor.

• As lâminas ou pastilhas podem ser obtidas do corte de um lingote de silício previamente preparado, ou mesmo por deposição de um filme de silício purificado sobre um substrato, que pode ser uma lâmina de cristal de quartzo, por exemplo.

Nestes dois últimos casos só o silício policristalino pode ser obtido. Cada técnica produz cristais com características específicas, incluindo tamanho, morfologia e concentração de impurezas. Ao longo dos anos, o processo de fabricação tem alcançado eficiência máxima em escalas industriais de 12,5%. (MOORE, 1996, p. 147).

Silício Amorfo:

• A célula de silício amorfo é relativamente diferente das demais estruturas cristalinas porque o mineral não apresenta estrutura cristalina definida e ordenada como no caso das células de silício mono ou policristalino; no silício amorfo predomina o alto grau de desordem na estrutura dos átomos.

Mesmo assim, a utilização de silício amorfo para uso em fotocélulas tem mostrado grandes vantagens tanto nas propriedades elétricas quanto no processo de fabricação. 

• O silício amorfo tem como característica absorver a radiação solar na faixa do visível e assim, pode ser fabricado mediante deposição de diversos tipos de substratos. Desta forma, o silício amorfo vem se mostrando uma opção muito interessante para sistemas fotovoltaicos de baixo custo.

Mas, a despeito das vantagens representadas pelo custo reduzido na produção, o uso de silício amorfo tem suas deficiências: a primeira é a baixa eficiência de conversão comparada às células mono e policristalinas de silício; em segundo, um processo natural de deterioração prejudica as células no início de sua operação e isso contribui para reduzir sua eficiência ao longo da vida útil.

• Por outro lado, o silício amorfo apresenta algumas vantagens que compensam as deficiências acima citados, tais como um processo de fabricação relativamente simples e barato e a possibilidade de fabricação de células com grandes áreas e baixo consumo de energia na produção. (MOORE, 1996, p. 149).

Sistemas Fotovoltaicos:

• Sistemas fotovoltaicos são instalações destinadas a coletar a energia radiante do sol e transformá-la em energia elétrica. Atualmente os sistemas estão evoluindo rapidamente e alcançando índices mais elevados de sofisticação. 

Assim, podemos compor um sistema fotovoltaico para 110 ou 220 Vca com os seguintes elementos:

a) Uma ou mais placas solares;
b) Regulador de carga: evita sobrecarga ou descarga excessiva da bateria;
c) Banco de baterias;
d) Inversor: transforma a corrente de 12 Vcc em 110 ou 220 Vac;
e) Equipamento 12 v a ser energizado;
f) Equipamento 110 ou 220 V a ser energizado.

Os equipamentos citados acima nem sempre vão estar presentes em todas as instalações ou sistemas de captação e conversão da energia solar em eletricidade. Uma instalação de bombeamento de água, por exemplo, pode ser construída de forma mais simples, bastando ligar as placas diretamente à bomba, prescindindo até de um banco de baterias. Obviamente, tal sistema só funcionará quando houver insolação suficiente para a geração de energia.

• Dependendo da demanda, várias placas podem ser ligadas em paralelo. Grandes sistemas usando séries de baterias podem virtualmente suprir quaisquer necessidades energéticas. Em função das suas características construtivas, as instalações fotovoltaicas podem ser divididas em três grupos principais.

Sistemas Isolados:

• Sistemas isolados, por sua própria concepção original, necessitam de alguma forma de armazenamento da energia coletada e convertida. Uma primeira forma de armazenamento é um conjunto de baterias utilizado para o abastecimento de aparelhos elétricos nos períodos noturnos ou de alta nebulosidade. 

Outra maneira interessante de armazenamento dessa energia é na forma de energia gravitacional que se obtém, por exemplo, pelo bombeamento de água para tanques de sistemas de abastecimentos baseados no desnível topográfico entre o armazenamento e o consumidor. Há naturalmente exceções a esta regra. Alguns sistemas isolados não necessitam de armazenamento, como por exemplo, sistemas de irrigação em que toda água bombeada é diretamente consumida.

• Em sistemas que necessitam de armazenamento de energia em baterias, usa-se um dispositivo para controlar a carga e a descarga na bateria. O "controlador de carga" tem como principal função prevenir danos na bateria por sobrecarga ou descarga profunda. O controlador de carga é usado em sistemas pequenos onde os aparelhos utilizados são de baixa tensão e corrente contínua (CC).

Para alimentação de equipamentos de corrente alternada (CA) é necessário um inversor. Este sistema é usado quando se deseja mais conforto na utilização de eletrodomésticos convencionais.

Sistemas híbridos:

• Sistemas híbridos são aqueles que, desconectados da rede convencional, apresentam várias fontes de geração de energia como, por exemplo: turbinas eólicas, geração diesel, módulos fotovoltaicos entre outras.

Nos sistemas híbridos o que temos é uma conexão de vários sistemas diferentes de geração de energia, que busca otimizar o fornecimento pelo aproveitamento racional da melhor situação para cada sistema interligado. Obviamente é necessário um bom sistema de controle dessas fontes para assegurar a máxima eficiência no fornecimento ao usuário final da energia.

• Em geral, os sistemas híbridos são empregados para instalações de médio a grande porte visando atender um número maior de usuários. Por trabalhar com cargas de corrente contínua, o sistema híbrido também apresenta um inversor. 

Naturalmente, podemos nos deparar com uma grande complexidade de arranjos e opções de instalações. Isso vai demandar um estudo amplo das necessidades do usuário final para que se defina a melhor situação de trabalho dos diversos sistemas de geração de energia.

Sistemas ligados à rede:

• Estes sistemas utilizam grande número de painéis fotovoltaicos e não utilizam armazenamento de energia, pois toda a geração é entregue diretamente na rede. Este sistema representa uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte ao qual esta conectada. 

Todo o arranjo é conectado em inversores e logo em seguida ligado diretamente na rede. Estes inversores devem satisfazer as exigências de qualidade e segurança da concessionária do serviço para que a rede não seja afetada.

Energia Solar Fototérmica:

• Nesse caso, o interesse está na quantidade de energia que um determinado corpo é capaz de absorver, sob a forma de calor, a partir da radiação solar incidente no mesmo. 

A utilização dessa forma de energia implica saber captá-la e armazená-la. Os equipamentos mais difundidos com o objetivo específico de se utilizar a energia solar fototérmica são conhecidos como coletores solares.

• Os coletores solares são aquecedores de fluidos (líquidos ou gasosos) e são classificados em coletores concentradores e coletores planos em função da existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar. O fluido aquecido é mantido em reservatórios termicamente isolados até o seu uso final (água aquecida para banho, ar quente para secagem de grãos, gases para acionamento de turbinas).

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

Arquitetura Bioclimática:

• Chama-se arquitetura bioclimática o estudo que visa harmonizar as construções ao clima e características locais, pensando no homem que habitará ou trabalhará nelas, e tirando partido da energia solar, através de correntes convectivas naturais e de microclimas criados por vegetação apropriada. É a adoção de soluções arquitetônicas e urbanísticas adaptadas às condições específicas (clima e hábitos de consumo) de cada lugar, utilizando, para isso, a energia que pode ser diretamente obtida das condições locais.

A arquitetura bioclimática não se restringe a características arquitetônicas adequadas. Preocupa-se, também, com o desenvolvimento de equipamentos e sistemas que são necessários ao uso da edificação (aquecimento de água, circulação de ar e de água, iluminação, conservação de alimentos) e com o uso de materiais de conteúdo energético tão baixo quanto possível.

Forno solar:

• Fornos solares nada mais são que instalações destinadas à concentração da energia captada por espelhos convenientemente dispostos. As aplicações desses fornos podem ser desde o simples aquecimento de fluidos circulando em tubulações dispostas numa linha de concentração de calor até aplicações industriais pesadas.

Na França, em Odeilo, nos Pirineus, foi construído um forno com 9500 espelhos planos dispostos de tal maneira que a concentração da energia refletida num forno construído dentro da torre do coletor proporciona uma temperatura de até 3800°C.

Sistemas de aquecimento:

• O aquecimento é a aplicação mais natural e óbvia da energia solar, utilizada pelo homem desde a pré-história. 

E ao longo dos séculos várias formas de melhorar o ser aproveitamento foram sendo desenvolvidas, mesmo que de maneira primitiva ou rústica. A história menciona a célebre batalha naval de Siracusa onde Arquimedes, utilizando espelhos curvos como forma de concentrar a luz e o calor do sol, ateou fogo na frota romana que sitiava a cidade. Isto ocorreu por volta do ano 215 a.C.

• Nos dias atuais já são conhecidas várias aplicações da energia solar voltadas para o aquecimento, seja de fluidos, sólidos ou de ambientes. Esta, nas regiões mais frias do planeta, naqueles países situados mais distantes da linha do Equador, teve desenvolvimento notável, com a utilização de tecnologias simples, mas eficientes, pelo menos nos períodos de maior insolação.

Este é e vai continuar sendo o maior problema da utilização da energia solar, seja para que finalidade for: a quase total dependência dos dias ensolarados para um bom desempenho dos sistemas instalados. 

• A conversão da energia solar em calor não permite armazenamento por longos períodos, na prática é uma forma de energia que deve ser aproveitada quase imediatamente.

Aquecimento de ambientes:

• O uso da energia solar para o aquecimento de ambientes é simples e pode apresentar resultados bastante satisfatórios. 

Uma casa solar, ou seja, uma construção residencial projetada para ter parte da sua calefação provida pelo aproveitamento da energia solar obtida através de dispositivos instalados nas paredes voltadas para o sul ou para o norte, conforme a construção esteja localizada no hemisfério norte ou no hemisfério sul, respectivamente. Basicamente, são painéis de vidro montados junto às paredes, mantendo um pequeno espaço entre elas, cerca de 2 a 3 cm. 

• As paredes têm pequenas aberturas na parte inferior dos painéis por onde o ar frio entra, é aquecido e sai por aberturas localizadas na parte superior dos painéis, sempre se valendo dos fenômenos convectivos. Desta forma, o ar circula, aquecendo o ambiente por várias horas.

Paredes assim construídas são chamadas “Paredes Trombe”. Como a parede retém o calor por várias horas, o sistema continua a funcionar durante a noite e nos períodos nublados do dia.

• Uma outra forma de calefação de ambientes baseada na conversão de energia solar em energia térmica pode ser dimensionada para circulação forçada de ar através de uma serpentina por onde circula a água previamente aquecida num coletor do tipo painel solar. O ar frio passa pela serpentina, é aquecido pela transferência de calor e volta a circular pelo ambiente,

A calefação se dará pela circulação do ar aquecido pelo ambiente proporcionando a transferência de calor para calefação de ambientes. O armazenamento do calor utilizando uma massa de água é usual e prático, além de ter baixo custo. Em média, podemos dimensionar um armazenamento entre 0,06 e 0,12 m3 de água para cada m2 de coletor instalado.

• Independente da forma de dimensionamento dos sistemas de calefação baseados na energia solar convertida em energia térmica, é razoável não basear totalmente nessa energia o aquecimento de ambientes, ao menos nos climas desfavoráveis, nos meses de inverno. Casas solares eficientes são construídas com uma instalação auxiliar elétrica ou a óleo para o aquecimento. 

É sabido que as tentativas de construção de casas ‘super isoladas’ ou de ‘energia zero’ resultaram em fracasso, pois se demonstra impossível o aquecimento a 100% por energia solar notadamente nos meses de inverno.

Aquecimento de água:

• Os equipamentos destinados a coletar o calor solar para aquecimento de água são bastante simples sob o aspecto construtivo descrito a seguir.

O equipamento:

• O aquecimento da água para ser aproveitada nas residências e feito com uma caixa semelhante a uma estufa, coberta com vidro. 

A radiação solar incide na parte transparente do coletor. Parte dessa radiação atinge a chapa de alumínio pintada de preto no interior da caixa. A pintura preta aumenta a absorção da energia incidente. É conveniente manter uma distância de 2 a 3 cm entre a serpentina e o painel de vidro, para propiciar melhor retorno da radiação térmica e evitar perdas por convecção que fatalmente ocorreriam ao ar livre. 

• A placa coletora deverá ser voltada para o norte (nos países do hemisfério sul) ou para o sul, (quando no hemisfério norte) e com uma inclinação em relação à horizontal equivalente à latitude do local em graus, para melhor aproveitamento da radiação,

Fixada à placa de alumínio encontra-se a tubulação de água e, pelo processo de condução, parte do aquecimento da placa é transmitido para a água. Uma vez aquecida, a água na tubulação fica menos densa e sobe de volta para o reservatório.

• Ao mesmo tempo, a água mais fria desce da parte inferior do reservatório. A água quente, pronta para o consumo, é retirada da parte superior do reservatório, e uma nova quantidade de água é introduzida na parte inferior.É possível atingir temperaturas na casa dos 150°C com o equipamento funcionando de forma otimizada, sem perdas de calor. 

Uma alternativa para melhorar o rendimento do conjunto seria a retirada do ar que permanece no conjunto, entre a placa metálica e a lâmina de vidro, o que elimina a maior parte das perdas por convecção dentro do conjunto.

Cálculo do rendimento do coletor:

• O problema da eficiência do conjunto coletor de chapa plana não é de fácil solução. Determinar um coeficiente de eficiência nestes equipamentos é tarefa árdua, porque há um grande número de variáveis envolvidas. 

Um dos maiores complicadores para a obtenção de um índice de rendimento térmico é o fato de que o coletor não trabalha sob condições constantes durante um certo intervalo de tempo. 

• Há que se considerar inicialmente que o coletor inicia o dia a uma temperatura baixa e o aquecimento vai aumentando paulatinamente ao longo do dia, sujeito a variações devidas à inconstância da insolação no local.

Desta forma, o conjunto todo precisa ser aquecido pela manhã depois de uma noite com temperaturas mais baixas, e só vai apresentar máximo aproveitamento ao fim da tarde, e mesmo assim se não houver alterações significativas de intensidade de insolação ao longo do dia, por exemplo, se em parte do dia o coletor ficar à sombra de uma árvore ou uma outra edificação, isto vai diminuir o rendimento, assim como acontece em dias de forte nebulosidade.

• Em operação normal, o rendimento global de um coletor de chapa plana, c, de qualquer coletor térmico solar pode ser expresso como o produto de um rendimento óptico o e de um rendimento de acumulação térmica, t. 

O rendimento óptico é, em primeira aproximação, independente da temperatura de operação do sistema e da intensidade de luz, mas depende do ângulo de incidência da luz. O rendimento de acumulação térmica, por outro lado, é função da temperatura do sistema e da intensidade da luz. Paim (1994) ressalta:

O desempenho de um dado coletor de calor depende muito de sua localização. Nas regiões onde na maior parte do tempo a intensidade solar é adversamente afetada por nuvens, neblinas, e outros tipos de absorção atmosférica, o rendimento médio pode ser substancialmente inferior aos climas ensolarados; pode mesmo mostrar-se impraticável o uso do aquecimento solar durante parte do ano. 

Em qualquer caso, o uso dos coletores solares exige um dimensionamento cuidadoso, levando em consideração pormenores das condições climáticas do local do usuário. Isto demanda medidas precisas do perfil da intensidade solar durante dias, semanas e anos. PAIM (1994, p. 112).

• As aplicações domésticas dos captadores se mostram presentes em aquecimento de água para uso residencial, aquecimento de piscinas e de ambientes. A circulação da água pelo coletor obedece a um princípio simples: no coletor, a serpentina é abastecida por gravidade, uma vez que o reservatório fica num nível superior ao do coletor. 

A água é aquecida durante sua passagem pela serpentina no coletor, e com isso, sua densidade diminui e naturalmente ela tende a subir de volta pelo outro lado da serpentina; esta circulação é forçada pelo fluxo constante de água fria (mais densa) descendo do reservatório para o coletor solar.

O fluxo continua mesmo que toda água tenha sido aquecida, e assim, a água quente continuará a circular, aquecendo o coletor que também continua sob ação do calor do sol. Esta velocidade de circulação vai aumentando enquanto houver insolação suficiente.

• Para assegurar um fornecimento constante de água quente, inclusive nos períodos “sem Sol”, é preciso associar alguns elementos ao conjunto do aquecedor, tais como um dispositivo complementar de aquecimento e um sistema de armazenamento adequado.

Basicamente, uma instalação para aquecimento de água para doméstico baseado na captação da energia solar e sua conversão em energia térmica é constituída por um reservatório de água fria que abastecerá o coletor, um reservatório isolado termicamente para armazenagem da água quente, um aquecedor elétrico ou a gás, para manter a temperatura da água nos períodos mais frios ou de baixa insolação e toda a tubulação necessária para ligar esses elementos.

Armazenamento da água quente:

Merece particular atenção o reservatório isolado para água aquecida. 

• De nada adianta um sistema que aquece a água durante o dia que é o período de menor necessidade se não pudermos conservar aquela energia captada sob a forma de calor num certo volume de água.  O reservatório deve ser isolado termicamente para garantir o abastecimento de água quente na residência durante a noite e eventualmente nos períodos sem sol.

Isto é particularmente importante nas regiões de clima mais temperado, com médias mais baixas de temperatura. O processo pelo qual o fluído guarda a energia nada mais é do que o dado pela simples equação de calorimetria aprendida no colegial.

Q = mc 

• onde Q é medido em Cal (calorias), m em g (gramas), é a variação de temperatura (K) e o c é o calor específico, que dá a capacidade de armazenamento de energia em forma de calor da substância, por isso é dado em Cal/g.K e na água este valor é 1.

Nos climas temperados, em nenhum caso é possível renunciar a um aquecimento convencional de apoio integrado ao sistema de aquecimento solar. Uma associação de sistemas de aquecimento solar e elétrico, visando a otimização de ambos será mostrada no estudo de caso ao final deste trabalho.

• Nunca é demais salientar que sem um dispositivo de armazenamento, como já visto, o sistema solar forneceria aquecimento somente nas horas de maior radiação, quando não se tem real necessidade. 

O objetivo deste dispositivo é garantir o aproveitamento da energia coletada e assegurar sua distribuição à noite e nas manhãs de céu nublado, quando o aquecimento é mais necessário.

A Energia Solar - Fotovoltaica