Aproveitamento da Energia Solar

A energia solar pode ser utilizada principalmente de duas formas distintas: a térmica, baseada na quantidade de energia que um corpo é capaz de absorver sob a forma de calor, a partir da radiação que incide sobre ele, sendo então utilizada diretamente como fonte de energia térmica ou para aquecimento de fluidos e ambientes, ou a fotovoltaica que consiste na transformação direta de energia solar em energia elétrica através de efeitos sobre determinados materiais, particularmente os semicondutores, entre os quais se destacam as células solares e o efeito termoelétrico (ANEEL, 2005; PINHO; GALDINO, 2014).

Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados atualmente são o aquecimento de água e a geração fotovoltaica de energia elétrica. O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores ou concentradores solares. Os coletores solares são mais usados em aplicações residenciais e comerciais (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc.) para o aquecimento de água (higiene pessoal e lavagem de utensílios e ambientes). Os concentradores solares destinam-se a aplicações que requerem temperaturas mais elevadas, como a secagem de grãos e a produção de vapor. Neste último caso, pode-se gerar energia mecânica com o auxílio de uma turbina a vapor, e, posteriormente, eletricidade, por meio de um gerador (ANEEL, 2005).

O uso da energia solar para aquecimento pode ser rastreado de volta à antiguidade. Arquimedes comprovadamente utilizou espelhos para direcionar os raios solares e atacar uma frota hostil em 212 a.C., incendiando suas velas a uma distância de algumas centenas de pés. Mais de mil anos atrás os índios Anasazi, do sudoeste norte-americano, construíram suas casas nos lados de penhascos para fazer uso da baixa altitude do Sol para o aquecimento solar passivo no inverno e das saliências dos penhascos para fornecer proteção contra os raios solares no verão. Nos séculos XVII e XVIII, cientistas concentraram os raios solares com espelhos ou lentes para derreter metais. Antoine Lavoisier (1743-1794), frequentemente chamado de pai da química moderna, atingiu temperaturas próximas a 1.700°C usando o Sol. (HINRICHS; KLEINBACH, 2003).

Segundo ALDABÓ (2002) é comum a utilização do recurso solar para o aquecimento residencial passivo e o fornecimento de energia elétrica para sistemas autônomos remotos. O primeiro grupo de sistemas, juntamente com o aquecimento solar de água, faz parte das aplicações térmicas e o segundo das fotovoltaicas. A conversão térmica ativa consiste no aproveitamento da energia radiante como calor, enquanto a conversão fotovoltaica, por sua vez, transforma a energia radiante diretamente em energia elétrica. Essa conversão térmica pode ser baseada em coletores planos ou em coletores de concentração, objetos de estudo do presente trabalho. URIAS et al. (2014) destacam que os sistemas de conversão de energia solar podem ser divididos em três grandes categorias:

1. Conversão direta para aquecimento: aquecimento de água, de ambientes, secagem de alimentos e materiais, cozinha, aquecimento industrial, incluindo vapor e fornos solares;

2. Conversão com etapa termodinâmica intermediária: destilação de água, refrigeração, potência mecânica ou produção de eletricidade a partir do calor;

3. Conversão direta para eletricidade: conversão fotovoltaica, fotoemissão etc.

A principal diferença entre os módulos solares fotovoltaicos e os coletores solares térmicos está no princípio de funcionamento. Enquanto os primeiros utilizam os fótons da luz para excitar elétrons e, sob condições definidas, geram eletricidade em corrente contínua, podendo ser usada diretamente ou armazenada em baterias para uso posterior, os segundos transferem para uma superfície absorvedora pintada de preto o calor da luz do sol. O material das placas solares é diferente em cada caso. No coletor solar térmico usa-se alumínio, vidro e isolante térmico (lã de vidro). Já os painéis fotovoltaicos têm como principal elemento o silício, semimetal bastante caro (CARBONO, 2008). Através da Figura 8 é possível observar as utilidades da energia solar de forma mais sucinta.

Figura 8 – Utilidades da Energia Solar.

(FONTE: Adaptado de URIAS et al. (2014))

Embora o uso de energia solar não seja uma novidade no campo de engenharia, além das aplicações triviais, listadas na Figura 8, a Tabela 6, lista algumas das aplicações não usuais que podem ser encontradas na literatura.

Tabela 6 – Outras aplicações da energia solar térmica.

Aplicação Conceito Propósito Autores

Fotocatálise

Aceleração de uma reação química envolvendo luz na presença de catalisador. Degradação de compostos orgânicos e inorgânicos em efluentes; desinfecção de água contaminada. MALATO et al. (2009); CHACÓN et al. (2011); GUMY et al. (2006). Pirólise Decomposição térmica de materiais orgânicos (baseados em carbono)

com pouco ou nenhum oxigênio.

Produção de carvão, extratos ácidos e bio-óleo a partir de biomassa para combustíveis alternativos; produção de carvão para

biossorventes.

ZENG et al. (2015); ANDRADE (2015); MORALES et al. (2014).

Destilação

Procedimento pelo qual dois líquidos com diferentes pontos de

ebulição podem ser separados. Dessalinização de água; tratamento de água poluída; destilação de álcool. TIWARI; TIWARI (2007); PRADO (2011); MEUKAM et al. (2004).

Secagem Remoção de água em _alimentos.

Reduzir a atividade de água e reações enzimáticas do produto; maior prazo de validade.

MIRANDA et al. (2015); YALDÝZ; ERTEKÝN

(2001).

Processos industriais

Processos industriais que

exigem altas temperaturas. Metalurgia; calcinação.

MURRAY (1999); MEIER et al. (2006).

Desinfectação Eliminação de substâncias _{tóxicas ou patógenos.} Tratamento de água, ar e _solo. GOSWAMI (1999); _{GHINI (1997).} Energia Solar Ativa Energia Solar Fotovoltaica Descentralizada Conectada a rede Energia Solar Térmica Aquecimento de Água Secagem Destilação Piscinas Solares Aquecedor Industrial Concentradores Passiva Arquitetura solar

2.2.3.1 Processos de Transferência de Calor

O calor pode ser transferido por meio de três processos: condução, convecção e radiação.

Condução: A condução é a transferência de calor de molécula a molécula através de um corpo, podendo ser considerada como transporte molecular de energia. O fluxo se dá do mais quente ao mais frio, até que estes cheguem ao equilíbrio (BIRD; STEWART; LIGHTFOOT, 2010).

Convecção: A convecção ocorre devido à diferença de massas específicas entre a parte do fluido mais fria (mais densa) e mais quente (menos densa). O fluido mais quente sofre ação do empuxo, fazendo com que este se desloque para regiões mais altas, que era preenchido pelo líquido frio. Esse processo gera as chamadas correntes de convecção responsáveis em manter o fluxo de fluido entre a vizinhança e a região sujeita ao aquecimento, quando a massa específica de um fluido reduz na região exposta ao aquecimento.

Quando calor é transferido pela circulação de fluidos devido às mudanças de densidade induzidas pelo próprio calor, então o processo é conhecido como convecção natural. Enquanto que se a transferência de calor ocorrer devido a outras forças, como através de uma bomba, por exemplo, este é denominado como convecção forçada (INCROPERA; DEWITT, 2008).

Radiação: A radiação consiste em um mecanismo eletromagnético que admite o transporte de energia com a velocidade da luz mesmo em regiões do espaço desprovidas de matéria. A taxa de transporte entre dois corpos “negros” no vácuo é proporcional à diferença da quarta potência de suas temperaturas absolutas. Esse mecanismo é qualitativamente diferente dos demais e corresponde ao principal processo de troca de energia entre a Terra e o Sol (BIRD; STEWART; LIGHTFOOT, 2010; PEREIRA, 2010).

No Sol, a irradiação é de cerca de 63 MW/m2 , mas a geometria Sol-Terra diminui drasticamente o fluxo de energia solar para cerca de 1 kW/m2 na superfície da Terra. No entanto, esta desvantagem pode ser superada com a utilização de sistemas

solares de concentração, que transformam a energia vinda do sol, em energia térmica. Estes sistemas são classificados devido a sua geometria: sistemas de foco de ponto, receptor central e antenas parabólicas, ou focos de linha concentradores, coletores parabólicos e linear (GOLDEMBERG; LUCON, 2012).