Engenharia Elétrica Especializada ENERGIA SOLAR. Eng. Vlamir Botelho Ferreira 1 INTRODUÇÃO

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1 1 ENERGIA SOLAR Eng. Vlamir Botelho Ferreira 1 INTRODUÇÃO O sol é uma fonte inesgotável de energia e é uma boa alternativa para países tropicais de grandes extensões territoriais, porque dispõem de alta incidência de radiação solar. Além de aquecer a Terra, o sol fornece a energia utilizada pelas plantas na síntese do alimento que fornece o combustível necessário às suas funções e aos animais que as comem. A energia solar pode ser usada de várias maneiras. A luz solar pode ser captada por espécies de estufas colocadas nos telhados das edificações, que aquecem a água que passa por elas através de serpentinas. Pode ser aproveitada através de um forno solar, que concentra os raios solares por meio de espelhos curvos, ou também por meio de células fotovoltaicas, que convertem diretamente a energia solar em energia elétrica. Este processo tem grande aplicação em satélites artificiais. A pesquisa moderna sobre o uso da energia solar teve início durante a década de É dessa época a invenção de uma caldeira movida a energia solar, criação do físico norteamericano Charles G. Aboot, e o início dos programas solares Godfrey Cabot, na Universidade de Harvard e no Instituto de Tecnologia de Massachusets, ambos nos Estados Unidos. Em 1954, os Laboratórios Bell Telephone criaram a bateria solar. Nesse mesmo ano, cientistas especializados em energia solar construíram, ainda nos EUA, a Associação para Aplicação da Energia Solar, com o objetivo de pesquisar meios de aproveitar a energia do sol. Em meados da década de 1970, a escassez de petróleo e gás natural estimulou nos EUA esforços para obter, com a energia solar, uma fonte produtora de força realmente funcional. Em 1974, o Congresso norte-americano aprovou a lei sobre pesquisa e desenvolvimento da energia solar. A lei autorizava um programa nacional de pesquisa da energia solar, a fim de desenvolver sistemas mais efetivos para captar, concentrar e armazenar a energia do sol. Esses sistemas deveriam assegurar o uso econômico da energia solar na calefação e refrigeração das habitações e edifícios de escritórios e facilitar aos engenheiros a construção de usinas destinadas a converter a energia solar em eletricidade.

2 2 No Brasil, a geração de energia solar ainda é pequena, visto que o nosso país é um dos mais ricos no mundo em incidência de raios solares. Alguns municípios do Nordeste, como Petrolina (PE), Floriano (PI) e Bom Jesus da Lapa (BA), por exemplo, recebem intensidade de luz solar comparável à registrada em Dongola, no Sudão, o ponto do planeta onde o Sol incide com maior potência. 2 SISTEMAS SOLARES DE AQUECIMENTO FIGURA 1 ESQUEMA DE UM SISTEMA SOLAR DE AQUECIMENTO Fonte: Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul Laboratório de Energia Solar

3 3 No Brasil, dentre os sistemas térmicos que têm como fonte energética a energia solar, os sistemas de aquecimento de água com coletores de placa plana são os mais difundido. O nosso clima permite utilizar, na maior parte das localidades, instalações com circulação natural, onde a redução da densidade da água aquecida produz o movimento necessário à circulação da mesma entre os coletores e o reservatório. O aquecimento da água para ser aproveitada nas residências é 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. Fixada à placa de alumínio encontra-se a tubulação de água. 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 indo 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. Em dias de pouca radiação solar, quando a eficiência do sistemas diminui, sistemas auxiliares a gás e/ou elétricos podem ser utilizados para auxiliar no aquecimento. Mais do que em qualquer outro país do mundo, o Brasil utiliza preferencialmente a energia elétrica para o aquecimento de água o que significa dizer que mais de 6% de todo o consumo nacional são usados para alimentar chuveiros elétricos. Assim, o aquecimento solar oferece condições ideais para tornar-se a melhor opção brasileira de aquecimento de água: custo competitivo, tecnologia própria e uma imensa riqueza energética através de uma fonte absolutamente limpa, relativamente gratuita e inesgotável, que é o sol. A energia solar também pode ser utilizada para aquecer o ar. Usados principalmente para aquecimento de ambientes, os coletores de aquecimento de ar são normalmente construídos integrados às edificações, buscando o conforto térmico na condição de inverno.

4 4 Quando combinados com outros elementos da construção, além do aquecimento passivo no inverno podem também facilitar a ventilação dos ambientes, limitando o aquecimento exagerado no verão. 3 SISTEMAS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia renovável obtida pela conversão de energia luminosa solar em energia elétrica. Para podermos utilizar a energia que vem do sol, precisamos basicamente de quatro elementos: o módulo fotovoltaico (painel solar), o controlador de carga, as baterias e o inversor DC/AC. FIGURA 2 ESQUEMA SIMPLIFICADO DE UM SISTEMA DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Fonte:

5 5 O módulo fotovoltaico é construído a partir de pastilhas de silício monocristalino, material de qualidade e elevada eficiência. O segundo elemento, o controlador de carga, é um dispositivo de fundamental importância para carregar e preservar as baterias, aumentando sua vida útil. As baterias são os elementos que armazenam energia, com o auxílio delas, os consumidores podem usar à noite a energia irradiada em dias de sol. O Inversor DC/AC transforma a corrente contínua, produzida originalmente pelo sistema e armazenada pelas baterias, em corrente alternada, para o uso normal. Nos últimos anos pode ser observado um crescente interesse na conversão direta da energia solar em eletricidade, feita através dos módulos fotovoltaicos. Apesar de, sob o ponto de vista custo/potência instalada, ser uma das formas mais caras de obtenção de energia elétrica, a sua utilização pode ser economicamente vantajosa em uma série de situações, dependendo da potência demandada e da distância da rede convencional ou outra fonte de energia. As "células solares" foram desenvolvidas nos anos 50 pela companhia norte americana Bell Telephone para emprego em satélites artificiais. Apresentam uma eficiência da ordem de 18%, pois a maior parte da energia solar se perde sob a forma de calor. Se a utilidade das células solares é grande nos satélites artificiais, o mesmo não pode ser dito em relação às aplicações terrestres, pois elas não possuem capacidade de armazenamento, os custos de sua fabricação ainda são bastantes elevados e apresentam uma eficiência de conversão relativamente baixa. Outro problema é o relacionado com a manutenção do equipamento, que se não for executada de maneira regular e adequada, faz com que o sistema pare de funcionar muito antes do que o previsto. Foi o que se verificou em várias comunidades do Nordeste do Brasil, atendidas pelo Prodeem (Programa de Desenvolvimento Energético para Estados e Municípios).

6 6 4 ASPECTOS SOCIOECONÔMICOS E AMBIENTAIS RELATIVOS AO USO DA ENERGIA SOLAR Como dito anteriormente, até meados dos anos de 1970, as células fotovoltaicas eram usadas somente nos programas espaciais americanos. A partir daí, houve grandes avanços tecnológicos e as células fotovoltaicas adquiriram maturidade como tecnologia. O preço dos equipamentos tem caído constantemente, o que tem permitido o desenvolvimento de um mercado efetivo em muitos países, industrializados e em desenvolvimento. A geração fotovoltaica é particularmente adequada para a alimentação de pequenas cargas, nos casos em que a alimentação através da extensão da rede for economicamente inviável, tanto em áreas rurais em países em desenvolvimento como em áreas de baixa densidade populacional em países desenvolvidos. Os sistemas de células fotovoltaicas são modulares, o que facilita sua instalação bastante próxima dos usuários, bem como reduz os preços de transmissão e distribuição. Estes módulos são também fáceis de transportar e de reinstalar em outro local. Eles requerem pouca manutenção e tem uma vida útil média de cerca de vinte anos. Como também dito anteriormente, as baterias requerem especial atenção, pois devem ser trocadas após alguns anos de uso. Embora existam problemas ambientais relacionados com a fabricação dos módulos fotovoltaicos, devido ao uso de materiais danosos, os mesmos podem ser diminuídos se forem utilizadas técnicas modernas que reduzam o uso de materiais e resíduos e promovam a reciclagem durante o processo de fabricação. O uso direto da energia solar para satisfazer as necessidades energéticas humanas é vantajoso, pois não interfere no equilíbrio térmico da terra. O impacto do equilíbrio térmico da energia solar parece menos importante do que alguns outros efeitos do uso da terra. Em quase todos os países, grandes áreas outrora ocupadas por florestas foram desmatadas para agricultura, urbanização, indústria e rodovias. O equilíbrio térmico foi afetado porque a absorção, a reflexão e a radiação foram alteradas.

7 7 A perturbação térmica ambiental é então muito mais fraca para a utilização da energia solar do que a energia fóssil. Isto é igualmente válido para o efeito do CO2 produzido pelo consumo de combustíveis. FIGURA 3 SISTEMA DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Fonte: Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul Laboratório de Energia Solar