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1 1 Resumo de Energia Solar Exclusivo de: Isildo M. C. Benta, Assistência Técnica de Sistemas Solares Sistemas mistos de Energia Solar e outros tipos de Sistemas

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3 3 Índice Sistemas Mistos de Energia Solar e outros tipos de Sistemas Apresentação...1 Capa...2 Índice...3 Introdução...4 a 9 Sistemas Solares Térmicos para Edifícios de Habitação...9 a 10 Sistemas Hibridos de Circulação Forçada com Bombas de Calor...10 a 11 Bombas de Calor...11 a 12 Explicando o uso das bombas de calor...12 a 13 Energia Geotérmica...13 a 14 Observações...14 Fontes Webgráficas...15

4 4 Introdução O Sol do nosso sistema solar, no seu centro, os núcleos de átomos de hidrogénio, fundem-se originando núcleos de hélio. A sua superfície atinge uma temperatura de perto dos 6.000ºK. A energia resultante desta reacção é radiada para o espaço, e parte dela atinge a atmosfera terrestre com uma intensidade de cerca de W/m2. Uma vez que parte da energia inicial é reflectida ou absorvida pela atmosfera, num dia de céu claro é possível medir junto à superfície terrestre num plano perpendicular, cerca de W/m2. Esta radiação disponível à superfície terrestre divide-se em três componentes: - Directa: a que vem "directamente" desde o disco solar; - Difusa: A proveniente de todo o céu excepto do disco solar, das nuvens, gotas de água, etc. - Reflectida: Proveniente da reflexão no chão e dos objectos circundantes. A soma das três componentes é denominada como radiação global, e representa, nas condições já referidas, cerca de W/m2. Conversão Existem duas formas diferentes de utilizar a energia solar: - Activa: A transformação dos raios solares noutras formas de energia; térmica ou eléctrica. - Passiva:

5 5 O aproveitamento da energia para aquecimento de edifícios ou prédios, através de concepções e estratégias construtivas. Energia solar térmica activa Princípio: Qualquer objecto 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 género, a significativa poupança energética e económica (que chega a atingir em alguns casos mais de 80%), e ainda a grande disponibilidade de tecnologia no mercado, são factores que transformaram a energia solar térmica uma das mais comuns, vantajosas e atractivas 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. 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);

6 6 - Aquecimento ambiente: do ponto de vista tecnológico é possível a utilização da energia solar para o aquecimento ambiente de forma activa 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 Amónia/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 económico, 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 directas, de pré-aquecimento de água de processo ou vapor para produção de energia eléctrica (temperaturas superiores a 450 ºC). - Outras aplicações: Aplicações de baixa ou intermédia temperatura, como estufas, secadores desalinizadores, secadores, destoxificadores (Ultra Violeta) e ainda cozinhas solares. Energia solar eléctrica ou Fotovoltaica Princípio: A conversão directa da energia solar em energia eléctrica envolve a transferência dos fotões da radiação incidente para os electrões da estrutura atómica desse material. Nos materiais semicondutores sob o efeito de uma radiação luminosa, a energia dos fotões incidentes é directamente transferida para o sistema electrónico do material, podendo excitar electrões da banda de valência para a banda de condução e dando origem à criação de pares electrão (absorção). Para obter uma corrente eléctrica é criada uma estrutura de separação dos portadores de carga fotogerados, por acção do campo eléctrico interno, antes de se recombinarem. Segue-se logo a extracção das cargas em corrente contínua para utilização; 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:

7 7 No entanto uma das principais limitações dos dispositivos fotovoltaicos é o seu baixo rendimento, isto é, uma baixa conversão da energia solar em energia eléctrica. A razão deste facto 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 factor está progressivamente a desaparecer com os desenvolvimentos das deposições e das microtecnologias. Principais aplicações: - Electrificação remota: Actualmente uma das principais aplicações da energia fotovoltaica é a possibilidade de fornecer energia eléctrica a lugares remotos, onde os custos da montagem de linhas eléctricas é superior ao sistema fotovoltaico, ou existe a impossibilidade deste tipo de fornecimento; - Sistemas autónomos: bombagem de água para irrigação, sinalização, alimentação de sistemas de telecomunicações, 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 eléctrica, e quando existem insuficiências, esta pode ser comprada; - veículos: automóveis de recreio providos de células fotovoltaicas, com suficiente potência para movimentá-los. 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 planeamento e orientação do edifício que podem resultar consumos energéticos evitados até 40%. Principais aplicações:

8 8 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 projecto e estudo de forma a maximizar este tipo de aproveitamento energético. Existem vários tipos de tecnologia para o aproveitamento e conversão da energia solar. Outros mecanismos de aproveitamento da energia solar térmica são: - Fornos ou cozinhas solares: Os três tipos básicos de cozinhas são: - A cozinha de reflectores 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 reflectores para aumentar a radiação incidente. - A cozinha de painel consiste num conjunto de reflectores que focam a luz solar directamente 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. - Dessalinizadores: Ao incidir os raios solares na caixa do desalinizador as moléculas de água da solução salina ganham energia até eventualmente evaporarem ficando o sal no fundo do recipiente. As gotas de água desalinizada condensam na parte interior da cobertura transparente (inclinada) e escorrem para um canal. - Purificadores:

9 9 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. Sistemas Solares Térmicos para Edifícios de Habitação O sistema solar térmico pode e deve ser instalado em condomínios e edifícios com diversas fracções, reduzindo o consumo energético despendido com o aquecimento das águas sanitárias até 80%. Existem diversos tipos de soluções possíveis, desde as mais centralizadas, onde tanto os colectores como o depósito são comuns, até às mais descentralizadas, onde cada fracção tem o seu sistema individual. Os sistemas mais comuns e consensuais, assentam num sistema primário comum (parte dos colectores) com depósitos ou permutadores individuais. Este tipo de solução, permite a partilha e redução de custos do circuito primário solar (colectores e grupo de circulação), mantendo a independência da água de consumo e custos energéticos com o apoio. Colectores Comuns com Permutador de Placas Individuais:

10 10 Este tipo de sistema adapta-se a qualquer caldeira ou esquentador que exista nos condomínios, ocupando um espaço mínimo no interior das fracções. Numa zona comum deve existir um depósito de inércia, que acumula a energia solar durante o dia, e a dissipa para as facções quando não existe sol. Este sistema, não é todavia recomendado para lugares com água particularmente alcalina, pois tal requer alguma manutenção nos permutadores de placas. Colectores Comuns com Depósitos Individuais: Este tipo de sistema (recomendado), permite um maior conforto ao utilizador. A Centralina instalada por fracção permite o controlo e monitorização da temperatura constante. Sistemas Hibridos de Circulação Forçada com Bombas de Calor Kit Solar 2 Painéis + Bomba de Calor AQS 300L

11 11 A combinação da tecnologia Bomba de calor e solar térmico chama-se "Sistema Híbrido" e representa uma melhor poupança possível na produção de AQS (aquecimento águas sanitárias). Bombas de Calor Na climatização, as Bombas de Calor, têm a vantagem de permitir, aquecer e arrefecer a habitação. Permite também o aquecimento de águas sanitárias ou de piscinas. O princípio de funcionamento é simples: Transferir o calor de um local para outro. Na realidade é o mesmo princípio presente em aparelhos tão comuns como o vulgar frigorífico e na maioria dos aparelhos de ar-condicionado. No caso das bombas de calor para as habitações, pode optar-se por dois tipos de modelo/instalação: A geotérmica (água-água; terra-água) e a aerotérmica (ar-água). No caso da bomba de calor geotérmica, é utilizada a diferença de temperatura entre o interior da habitação e a temperatura "quase-constante" do subsolo no exterior. Esta instalação obriga à escavação no exterior para a instalação das tubagens. A bomba de calor aerotérmica é de instalação bastante mais simples, semelhante à de um vulgar aparelho de "Ar Condicionado", e utiliza a diferença de temperaturas entre o ar interior e o ar exterior. Máximo conforto a um custo de utilização mínimo.

12 12 O piso radiante é o ambiente que qualquer família poderá querer, durante o inverno. Em casos de construção de raiz ou remodelação profunda de edifícios, é de fácil implementação e conjugação com diferentes tipos de piso, ideal para quem se preocupa com a estética e, sobretudo, com o conforto. Os custos de utilização são bastante inferiores, visto serem suficientes, as temperaturas da água de cerca de 40ºC. A utilização de uma bomba de calor de alta eficiência, é a melhor associação a esta tecnologia de aquecimento, em conjunto com um sistema de energia solar. Portugal, independentemente da região, é um dos países da Europa com melhor recurso solar, sendo sempre vantajosa a instalação de energia solar térmica. Explicando o uso das bombas de calor. Num ano, a energia enviada pelo sol para a Terra é 50 vezes superior ao consumo total de energia no nosso planeta. Isto torna o sol numa enorme e interminável fonte de energia. Nos dias ensolarados, podemos sentir a energia térmica do sol na nossa pele. Mas na realidade, existe sempre imensa energia térmica no ar, mesmo em dias frios de inverno e até de noite. E não apenas nos paises quentes, mas inclusive em países como a Suécia ou a Noruega onde milhares de lares já possuem bombas de calor. Uma bomba de calor apenas necessita de uma fonte de calor (ar exterior), dois permutadores de calor (um para absorver e outro para libertar o calor) e uma relativamente pequena quantidade de energia motriz para manter o sistema em andamento. Uma bomba de calor extrai energia térmica do ambiente sendo a fonte o ar exterior. A bomba extrai energia a uma certa temperatura, aumenta essa temperatura e liberta-a num meio que, nos casos mais comuns é a água que vai para os radiadores de baixa temperatura, sistema de chão radiante ou unidades ventilo-convectoras.

13 13 Entre estes dois meios, o calor é movido por intermédio de um fluido de trabalho. Utiliza-se bombas de calor em aquecimento de água de piscinas devido à grande eficiência energética que apresentam, em comparação com outros meios como o de resistências ou a gás. Por exemplo para aquecer uma mesma quantidade de água gasta-se com uma bomba de calor apenas 20% do que seria gasto com resistências eléctricas. Energia Geotérmica A energia geotérmica é um tipo de energia que funciona graças à capacidade natural da Terra e/ou da sua água subterrânea em reter calor, e consiste em transferir esse calor, num sistema composto de canos subterrâneos e de uma "bomba de sucção de calor", para aquecer ou arrefecer um edifício. Uma bomba de sucção de calor é a componente do sistema que necessita de energia eléctrica para poder funcionar. O seu papel consiste em extrair energia térmica da Terra para um edifício durante o inverno e o contrário acontece durante o verão onde transfere o calor do edifico até uma zona mais fria da Terra, assim mantendo-o fresco. Para isto ser realizável, a energia térmica tem de viajar através de um meio líquido (água subterrânea) contendo uma solução que previne a gelificação da água nos locais onde ela atinge temperaturas baixas. A mudança aquecimento/arrefecimento pode ser feita através de uma simples alteração num termostato de interior. Esta simplicidade é devida ao facto de que, uma vez que é no mesmo sistema de canos, que ocorrem estes dois processos, basta um carregar de botão para inverter o sentido de transferência do calor. As vantagens dos sistemas geotérmicos são tais que: Permitem poupar (75% em consumo de electricidade numa casa) uma vez que substituem o ar condicionado e aquecedores eléctricos.

14 14 São muito flexíveis, uma vez que podem ser facilmente subdivididos ou expandidos para um melhor enquadramento, (e aproveitamento de energia) num edifício, e isto, ficando relativamente barato. Libertam relativamente menos poluentes para a atmosfera que outras fontes de energia não renováveis. Porém, este sistema contém algumas desvantagens a ter em consideração: Se não for usado em pequenas zonas onde o calor do interior da Terra vem á superfície através de géiseres e vulcões, então a perfuração dos solos para a introdução de canos é dispendiosa. Os anti-congelantes usados nas zonas mais frias são poluentes: Apesar de terem uma baixa toxicidade, alguns produzem CFCs e HCFCs. Este sistema tem um custo inicial elevado, mas é relativamente barata a manutenção da bomba de sucção de calor (que por estar situada no interior da Terra ou dentro de um edifício não está exposta ao mau tempo e a vandalismo), é contrabalançada pelo elevado custo de manutenção dos canos (onde a água causa corrosão e depósitos minerais). A energia geotérmica é utilizada em muitas partes do planeta, com destaque para: Tuscani, na Itália, onde em 1904 se passou, pela primeira vez, a utilizar a energia geotérmica para a produção de electricidade. Budapeste (Hungria), alguns subúrbios de Paris, Reykjavík (Islândia), e muitas outras cidades, que usam em grande escala a energia geotérmica para aquecimento doméstico. A California, tem actualmente a maior central geotérmica do mundo. Observações Este trabalho foi elaborado com uma rigorosa selecção de informação disponivel na internet. Foi construido e estruturado de forma a evidenciar as vantagens e desvantagens dos Sistemas Solares disponiveis no mercado, explorando também algumas opções tecnologicas viáveis para os Sistemas de apoio.

15 15 Fontes Webgráficas Fonte Introdução: LAR.pdf Fonte Sistemas Solares Térmicos para Edifícios de Habitação: Fonte Sistemas Hibridos de Circulação Forçada com Bombas de Calor: Fonte Bombas de Calor: Fonte Explicando o uso das bombas de calor: Fonte Energia Geotérmica:

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