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Energia Solar | O potencial da energia solar e fotovoltaica

Potência de energia a partir da luz do sol, é uma grande e inesgotável fonte de recursos. Uma vez que se possua o sistema para convertê-la em energia útil, o combustível é livre e nunca estará sujeito a altos e baixos dos mercados de energia. Além disso, representa uma alternativa limpa aos combustíveis fósseis que atualmente poluem o nosso ar e água, ameaçam a nossa saúde pública, e contribuem para o aquecimento global. Dada a abundância e o apelo da energia solar, este recurso está pronto para desempenhar um papel proeminente no nosso futuro energético.

No sentido mais amplo, a energia solar suporta toda a vida na Terra e é a base para quase todas as formas de energia que usamos. O sol faz com que plantas cresçam, o que pode ser consumido como combustível “biomassa”, ou, se for deixado para apodrecer em pântanos e comprimido no subsolo há milhões de anos, pode ser consumido na forma de carvão e petróleo. O calor do sol que faz com que haja diferenças de temperatura entre as áreas, produzindo vento que é usado nas turbinas de energia eólica. A água evapora por causa do sol, cai em altitudes elevadas, e corre para o mar, e gira turbinas hidrelétricas pelas quais passa. Mas a energia solar geralmente se refere a formas de energia em que os próprios raios de sol podem ser usados para gerar diretamente calor, iluminação e eletricidade.

Os abundantes recursos solares

A quantidade de energia do sol que chega na superfície da Terra é enorme. Toda a energia armazenada em reservas de carvão, petróleo e gás natural da Terra é compensada pela energia de apenas 20 dias de sol. Fora da atmosfera da Terra, a energia do sol possui cerca de 1.300 watts por metro quadrado. Cerca de um terço desta luz é refletida de volta para o espaço, e uma parte é absorvida pela atmosfera.

No momento em que atinge a superfície da Terra, a energia do sol cai para cerca de 1.000 watts por metro quadrado ao meio-dia em um dia sem nuvens. Em média sobre toda a superfície do planeta, 24 horas por dia durante um ano, cada metro quadrado recolhe o equivalente aproximado de energia de cerca de um barril de petróleo a cada ano, ou 4,2 quilowatts-hora de energia a cada dia. Desertos, com o ar muito seco e pouca cobertura de nuvens, recebem mais sol, mais de seis quilowatts-hora por dia e por metro quadrado. Climas do norte, como Boston, se aproximam de 3,6 kilowatt-hora. A luz solar varia conforme a estação, bem como, com algumas áreas recebendo muito pouco de sol no inverno.

Projeto solar passivo para edifícios

Brasileiro criou a "lâmpada" que aproveita energia solar com garrafa pet durante a série de apagões que o Brasil enfrentou em 2002

Brasileiro criou a “lâmpada” que aproveita energia solar com garrafa pet durante a série de apagões que o Brasil enfrentou em 2002

Um uso simples e óbvio do sol é para iluminar e aquecer nossos edifícios residenciais e comerciais os edifícios são responsáveis ​​por mais de um terço do consumo energia nos EUA. Se forem bem projetados, os edifícios podem captar o calor do sol no inverno e minimizá-lo no verão. Edifícios projetados dessa forma utilizam a energia solar passiva, um recurso que pode ser aproveitado sem meios mecânicos para manipular a temperatura, ou iluminar um edifício. Características de design simples, como orientar adequadamente uma casa em direção ao sul, colocando a maioria das janelas no lado sul do edifício, claraboias (até garrafas pets como o projeto idealizado por um brasileiro), toldos, e árvores de sombra, são todas as técnicas para a exploração de energia solar passiva. Edifícios construídos com o sol em mente podem ser um lugar confortável e bonito para se viver e trabalhar.

Além de usar recursos de design para maximizar o uso do sol, alguns edifícios têm sistemas que coletam e armazenam a energia solar de forma ativa. Coletores solares, geralmente, localizados nos telhados de edifícios coletam energia solar para aquecimento dos espaços internos, aquecimento de água e refrigeração do espaço. A maioria desses sistemas consistem em grandes caixas, planas, pintadas de preto no exterior e cobertas com vidro. Na concepção mais comum, os tubos na caixa, carregam líquidos que transferem o calor da caixa para dentro do prédio. Este líquido aquecido, é geralmente uma mistura de água e álcool para evitar o congelamento é utilizado para aquecer a água em um tanque ou é passado através de radiadores de calor.

Curiosamente, o calor solar também pode alimentar um sistema de refrigeração. Em evaporadores dessecantes, o calor de um coletor solar é usado para puxar a umidade do ar. Quando o ar se torna mais seco, também torna-se mais frio. O ar úmido quente é separado do ar mais frio e evacuado para o exterior. Outra abordagem é a de uma máquina frigorífica de absorção. A energia solar é utilizada para aquecer um fluido refrigerante sob pressão, quando a pressão é libertada, expande-se, arrefecendo o ar a sua volta. Esse  é o modo como os refrigeradores convencionais e condicionadores de ar funcionam, e é uma abordagem particularmente eficiente para casa ou escritório.

Sistemas Solares de concentração térmica

Concentradores parabólicos de energia solar

Usando espelhos e lentes para concentrar os raios do sol, os sistemas solares térmicos podem produzir temperaturas muito altas, tão altas quanto 3.000º C. Este calor intenso pode ser usado em aplicações industriais ou para a produção de eletricidade. Um dos maiores benefícios de sistemas solares térmicos de larga escala é a possibilidade de armazenar energia ou calor do sol para uso posterior, o que permite a produção de eletricidade mesmo quando o sol não está mais brilhando. Sistemas de armazenamento de tamanho adequado, geralmente constituídos de sais fundidos, podem transformar uma planta de energia solar em um fornecedor de eletricidade de base contínua. Sistemas solares térmicos agora em desenvolvimento são capazes de competir na produção e confiabilidade com grandes reservas de carvão e usinas nucleares.

Concentradores solares vêm em três projetos principais: as calhas parabólicas, antenas parabólicas e receptores centrais. Os mais comuns são, espelhos curvos parabólicos, calhas de comprimento que concentram luz solar sobre um líquido dentro de um tubo que corre paralelo ao espelho. O líquido, atinge uma temperatura de cerca de 300º C, corre para um coletor central, onde se produz vapor que aciona uma turbina elétrica. Para ilustrar esse potencial veja o caso recente do prédio mal projetado que concentrava raios de sol e chegou a derreter carros nos arredores.

Concentradores parabólicos são semelhantes aos de  concentradores de calha, mas concentram a luz do sol em um único ponto. Os pratos podem produzir temperaturas muito mais altas, e assim, em princípio, devem produzir eletricidade de forma mais eficiente.

A variação da promissora tecnologia de concentração de “prato” utiliza um motor Stirling para produzir energia. Ao contrário do motor de combustão interna de um carro, no qual a explosão gasolina no interior do motor produz calor, que faz com que o ar dentro do motor se expanda e empurra para fora os pistões, um motor Stirling produz calor por meio de espelhos, que refletem a luz solar no exterior do motor. Estes geradores de prato e Stirling produzem cerca de 30 quilowatts de energia , e podem ser usados para substituir os geradores a diesel em locais remotos.

A energia solar fotovoltaica

Em 1839, o cientista francês Edmund Becquerel descobriu que certos materiais emitem uma faísca de eletricidade ao serem atingidos com a luz solar. Este efeito fotoelétrico foi usado em células solares primitivas feitos de selênio no final do século 19. Na década de 1950, cientistas da Bell Labs reinventaram a tecnologia e, usando silício, produziram células solares que poderia converter quatro por cento da energia do sol diretamente em eletricidade. Dentro de alguns anos, essas células fotovoltaicas foram utilizadas para alimentar naves espaciais e satélites com energia solar.

Celular fotovoltaica de energia solar

Os componentes mais importantes de uma célula fotovoltaica são duas camadas de material semicondutor, geralmente constituídas por cristais de silício. Por si só, o silício cristalizado não é um bom condutor de eletricidade, mas quando impurezas são adicionadas intencionalmente – um processo chamado dopagem – o palco está montado para a criação de uma corrente elétrica. A camada inferior da célula fotovoltaica é normalmente dopada com boro, que se liga com o silício para facilitar uma carga positiva. A camada superior é dopada com fósforo, que se liga com o silício para facilitar uma carga negativa.

A superfície entre as duas camadas de semicondutores é chamada de junção PN, um elétron em movimento nesta superfície produz um campo eléctrico que permite apenas o fluxo de elétrons na camada de carga positiva para a camada de carga negativa.

Quando a luz solar entra na célula, a sua energia “arranca” os elétrons fracamente em ambas as camadas. Por causa das cargas opostas das camadas, os elétrons tendem a fluir da camada negativa para a camada positiva, mas o campo elétrico na junção PN evita que isto aconteça. A presença de um circuito externo, no entanto, fornece o caminho necessário para que os elétrons na camada negativa viajem para a camada positiva. Fios extremamente finos que correm ao longo do topo da camada negativa alimentam este circuito externo, e os elétrons que fluem através deste circuito alimentam o dono da célula solar com fornecimento de energia elétrica.

A maioria dos sistemas fotovoltaicos são constituídos por células individuais quadradas de em média quatro centímetros de lado. Sozinha, cada célula gera muito pouca energia (menos de dois watts), então elas são freqüentemente agrupadas em módulos. Os módulos podem ser agrupados em painéis maiores envoltos em vidro ou plástico para proporcionar uma proteção contra as intempéries, e estes painéis, por sua vez, são utilizados como unidades separadas ou agrupados em conjuntos maiores. Os três tipos básicos de células solares de silício são feitas a partir de um único cristal ou policristalinos ou silício amorfo (a-Si).

Tipos de células solares fotovoltaicas

• As células de cristal único são feitas em forma de “garrafas” longas, e cortadas em pastilhas redondas ou hexagonais. Enquanto este processo é caro e gera desperdício de materiais, produz a mais alta eficiência de células solares – 30% em testes laboratoriais. Devido ao fato destas células de elevada eficiência serem mais caras, elas são por vezes usados ​​em combinação com concentradores tais como espelhos ou lentes. Sistemas de concentração podem aumentar a eficiência em quase 30%.

• As células policristalinas são feitas de moldes de silicone fundido em lingotes ou desenhados em folhas, em seguida, cortados em quadrados. Embora os custos de produção sejam inferiores, o rendimento das células  também é muito inferior – cerca de 15 por cento. Uma vez que as células são quadradas, elas podem ser embaladas de forma mais estreita. As células policristalinas compõem 62% do mercado mundial de células fotovoltaicas para energia solar.

• Silício amorfo (a-Si) é uma abordagem radicalmente diferente. O silício é essencialmente pulverizado sobre uma superfície de vidro ou em filmes finos de metal. Esta abordagem é, de longe, a mais barata, mas o resultado é uma eficiência muito baixa, cerca de apenas cinco por cento.

Uma série de outros materiais exóticos e outros compostos de silício estão em desenvolvimento, como o arseneto de gálio (Ga-As), cobre-índio-disseleneto (CuInSe2) e telureto de cádmio (CdTe). Estes materiais oferecem uma maior eficiência e outras propriedades interessantes, incluindo a capacidade para a fabricação de células amorfas que são sensíveis a diferentes partes do espectro de luz. Pelo empilhamento de células em múltiplas camadas, que podem capturar mais luz disponível.

Na década de 70, um esforço sério começou a produzir painéis fotovoltaicos que poderiam fornecer energia solar mais barata. Experimentando novos materiais e técnicas de produção, os fabricantes solares cortaram custos das células solares rapidamente.

Processos e designs inovadores estão continuamente chegando ao mercado e ajudando a reduzir os custos, incluindo a cadeia de produção de telhas fotovoltaicas e janelas com uma película transparente de a-Si. Economias em escala de um mercado global de células fotovoltaicas e energia solar em expansão também estão ajudando a reduzir os custos.

Historicamente, a maioria dos painéis fotovoltaicos têm sido utilizados para fins fora da rede de distribuição, alimentando casas em locais remotos, transmissores de telefonia celular, sinais de trânsito, bombas de água, e milhões de relógios solares e calculadoras. As nações em desenvolvimento como o Brasil vêm a energia solar como uma forma de evitar a construção de linhas de transmissão longas e caras para áreas remotas. E a cada ano, os carros movidos a energia solar experimentais correm por toda a Austrália e América do Norte em competições.

Mais recentemente, graças a custos mais baixos, e incentivos fortes, a indústria de energia solar fotovoltaica colocou mais foco na área residencial, negócios e sistemas de utilidade em grande escala que estão ligados à rede de energia. Em alguns locais, é menos caro para instalar painéis solares do que para melhorar o sistema de transmissão e distribuição para atender a nova demanda de energia elétrica. Em 2005, pela primeira vez, a instalação de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica ultrapassou sistemas energia solar fora da rede nos Estados Unidos. Como o mercado energia solar continua a se expandir, a tendência para aplicações conectadas à rede vai continuar. Pequenos geradores, espalhados por toda a cidade e controlados por computadores, podem substituir o carvão e usinas nucleares que dominam a paisagem nos países do primeiro mundo agora.

Energia Solar no Brasil

A MPX Tauá é a primeira usina solar fotovoltaica a gerar eletricidade em escala comercial no Brasil. Inaugurada em agosto de 2011, a usina está localizada no município de Tauá, no sertão do Ceará, e tem capacidade inicial de geração de 1 megawatt.

O Sertão da Paraíba e de todo Nordeste é o segundo melhor do mundo para captação de energia solar. Perde apenas para o Deserto do Saara, no continente africano. Só que todo esse potencial não está sendo utilizado. Para se ter ideia, o consumo de energia dos 3,8 milhões de habitantes do Estado poderia ser suprido com a instalação de 2,5 milhões de placas de energia solar, capazes de gerar 633 MegaWatts. Para isso, seria necessária a ocupação de uma área de 4.433 hectares com as usinas fotovoltaicas, um espaço que equivale a apenas 0,07% do território da Paraíba.

O Deserto do Saara e o Sertão do Nordeste brasileiro foram apontadas em 2009 como as duas melhores regiões para captação da energia solar pelo cientista alemão Gerherd Knies.

Dra. Ruth Pessoa Gondim

O Rio Grande do Norte vai receber uma das maiores usinas fotovoltaicas do Brasil numa parceria da Petrobras com a SunEdison, empresa líder mundial de energia solar. A usina fotovoltaica é uma parceria da SunEdison com a Petrobras terá capacidade instalada de 1,1 MW e será construída em Alto do Rodrigues. O terreno fica próximo a terreno onde está a Termoaçu S.A.

Recentemente também foi firmado um acordo para o estudo da viabilidade de um projeto de usina fotovoltaica entre Fiep, Itaipu e governo do paraná.

Fonte, referências e Bibliografia

  1. Gradella Villalva, Marcelo; Gazoli, Jonas Rafael. Energia Solar Fotovoltaica – Conceitos e Aplicações – Sistemas Isolados e Conectados À Rede. São Paulo, SP: Editora Érica. 2012
  2. International Scientific Council for Island Development (INSULA). Large scale utilization of solar energy in Cyprus.
  3. Deyette, J., and K. Graf. 2005. How it works: Solar electricity generation. In Catalyst: A Magazine of the Union of Concerned Scientists 4(2): 18-19.
  4. Concentrating Solar Power Program. 2000. Solar Two demonstrates clean power for the future. Washington, DC: U.S. Department of Energy.
  5. Solar Energy Technologies Program. 2006. Solar energy technologies program: Multi-year program plan 2007-2011. Washington, DC: U.S. Department of Energy.
  6. Cleetus, R., Clemmer, S., and Friedman, D. 2009. Climate 2030: A National Blueprint for a Clean Energy Economy.
  7. California Energy Commission. Large Solar Energy Projects.
  8.  Relatório da Agência Internacional de Energia
  9. Solar Fuels and Artificial Photosynthesis. Royal Society of Chemistry 2012
  10. Borgnakke, Claus; Borgnakke, Claus. Fundamentos da Termodinâmica. São Paulo, SP: Blucher, 2009.
  11. Energy Information Administration (EIA). 2005. Annual energy outlook 2004.
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Escrito por George Cruz

Técnico em química, programador, graduando em engenharia mecânica, um amante do conhecimento, da boa música e da arte.

2 Comentários

  1. Muito bom,bem explicado!

  2. Alexandre Albuquerque

    Gostaria de informaçao de custo para um gerador fotovoltaico. Minha casa tem um telhado de metal prateado. Meia agua, com inclinaçao para o oeste 6 metros por 9 metros

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