5 Energia Solar:
FIGURA 5.4 Movimento da Terra
ao redor do Sol, mostrando as estações do ano e a inclinação do eixo da Terra.
FIGURA 5.5
Valores de insolação para um dia claro em uma superfície horizontal localizada a 402N de
latitude em função do mês e da hora do dia.
1977. (AMERICAN S O C I E T Y OF HEATING, REFRIGERATION, AND AIR- CONDITIONING E N G I N E E R S ( A S H R A E ) . 1 9 7 7 . A P P L I C A T I O N S O F S O L A R E N E R G Y FOR HEATING AND C O O L I N G OF BUILDINGS. NOVA Y O R K , A S H R A E . )
FIGURA 5.6
Mudanças anuais e horárias na posição do Sol no céu na latitude 40a
N. Também são mostrados a altitude solar (ângulo acima do horizonte) e o azimute solar (ângulo em relação ao sul verdadeiro).
A elevação do Sol ou o ângulo dele acima do horizonte é denominado sua altitude. A
altitude do Sol é uma função da latitude na qual você se encontra; quanto mais para o norte
você se deslocar, mas baixo no céu de inverno o Sol estará. Ao meio-dia solar (o momento no qual o Sol está diretamente no sul) em 21 de dezembro em Boston, a altitude é de 24° en-
quanto em Miami é de 42°. A Figura 5.6 mostra o caminho aparente do Sol pelo céu em três diferentes momentos do ano. Na latitude 40°N, a altitude ao meio-dia solar é de 74° em 21
de junho e de 27° em 21 de dezembro (na latitude 24°N, estes números são 89° e 43°). Esta
figura mostra que à medida que o outono se torna inverno, os pontos de nascer e pôr do Sol movem-se gradualmente em direção ao sul. Os dias se tornam mais curtos e o caminho do Sol no céu diminui. O azimute solar é o ângulo entre o sul e o sul verdadeiro e é represen-
tado pelo símbolo na Figura 5.6. Na latitude 40°N, o azimute varia de -122° a +122° em 213 de junho; em 21 de dezembro ele vai de -53° para +53°. Ou seja, o Sol nasce mais ao sul do leste em dezembro.
Cap. 5 Energia Solar: Características e Aquecimento 115
FIGURA 5.7
Componentes da radiação solar.
FIGURA 5.8
Insolação diária em um dia claro como uma função do mês e da orientação do coletor.
A insolação que chega à superfície é composta de um feixe direto do Sol (a radiação que forma a sombra), de uma componente difusa (radiação difundida pelas nuvens e que vem de todo o céu) e de uma componente refletida (radiação difundida a partir do solo), como mostrado na Figura 5.7. A insolação normalmente é medida em uma superfície hori- zontal. No caso de uma superfície inclinada, todos os três componentes variam em função do ângulo de inclinação. Em dias nublados, os coletores solares podem coletar aproxi- madamente 40% da luz solar difusa. A Figura 5.8 mostra o efeito de duas inclinações de co-
letor sobre a insolação recebida, em função do mês. O Sol está mais baixo no céu (em uma altitude menor) durante o inverno, então a insolação sobre uma superfície vertical no in-
verno será maior que sobre uma horizontal. O oposto é verdadeiro no verão. Esta situação pode ser utilizada para o aquecimento de uma casa.
FIGURA 5.9
Radiação solar diária média (em base anual) para radiação incidente sobre uma superfície horizontal, em unidades de Btu/pé2/dia.
Dados coletados nos Estados Unidos como um todo resultaram no mapa da Figura 5.9, que mostra a insolação média diária atingindo uma superfície horizontal. (Para aplicar estes dados a superfícies inclinadas, como um coletor solar, é necessária a realização de cálculos trigonométricos). Como as demandas por aquecimento de ambientes são funções do período do ano, considerações econômicas requerem um conhecimento tanto da inso- lação média quanto da temperatura média ao ar livre em cada mês, o que pode ser obtido em um Atlas Climático. Tais dados para algumas cidades norte-americanas são apresenta- dos no Apêndice C. Alguns exemplos de dados de insolação estão na Tabela 5.3, que mostra a variação da radiação em função da estação do ano e da localização da cidade. Observe que Dodge City, Kansas e Washington, D.C., que se localizam na mesma latitude, têm insolações bastante diferentes.
Tabela 5.3 VARIAÇÕES NA INSOLAÇÃO EM CIDADES SELECIONADAS
Dezembro Março Junho Setembro
Cidade Latitude IH* lT** \H IT \H Ir \H Ir Miami 26°N 1.292 1.770 1.829 2.012 1.992 1.753 1.647 1.691 Los Angeles 34°N 912 1.496 1.641 1.936 2.259 1.920 1.892 2.114 Washington, D.C. 38°N 632 1.068 1.255 1.493 2.081 1.790 1.446 1.605 Dodge City 38°N 874 1.652 1.566 1.942 2.400 2.040 1.842 2.106 East Lansing 42°N 380 638 1.086 1.347 1.914 1.646 1.303 1.498 Seattle 47°N 218 403 917 1.165 1.724 1.465 1.129 1.332
*Insolação sobre u m a superfície horizontal (em Btu/pé2/dia)
Cap. 5 Energia Solar: Características e Aquecimento 117
C. História do Aquecimento Solar
O uso da energia solar para aquecimento pode ser rastreado de volta à Antigüidade. 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 aqueci- mento solar passivo no inverno e das saliências dos penhascos para fornecer proteção con- tra 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), fre- qüentemente chamado de pai da química moderna, atingiu temperaturas próximas a 1.700°C (3.100°F) usando o Sol, temperaturas estas mais altas do que as obtidas por qual- quer um naquela época. Uma das fornalhas solares mais potentes em uso atualmente se en- contra em Sandia, Novo México, onde temperaturas de 3.000°F são obtidas.
Aquecedores de vapor solares foram desenvolvidos no final do século XIX para pro- duzir vapor para movimentar motores. O francês August Mouchot fez funcionar, em 1878, uma máquina de impressão usando vapor produzido por um artefato semelhante ao mostrado na Figura 5.10. Um interessante empreendimento comercial da década de 1910 no Egito usou uma caldeira solar para fornecer vapor para a operação de bombas de irrigação (veja o Quadro 5.1: Usina de Energia Solar Egípcia do Início do século XX). Outro projeto em larga escala usando os raios solares para aquecimento ocorreu na década de 1870 no Chile, onde um engenho solar de 50.000 pés2 foi construído para fornecer 6.000 galões
diários de água fresca. Este projeto utilizava telhados de vidro inclinados instalados sobre bandejas de água salgada; a água evaporava das bandejas, condensava nos vidros e escorria dos vidros para receptáculos coletores. Uma ilustração desta técnica em uma escala muito menor é mostrada na Figura 5.11. Ela representa um projeto simples de dessalinização uti- lizando um pedaço de plástico tanto para capturar e reter a radiação solar incidente, quanto para fornecer uma superfície para a condensação da água.
FIGURA 5.10
Motor a vapor solar, Paris, 1878. A água era aquecida pelo Sol no foco do prato/disco concentrador (A). O vapor produzido era utilizado para fazer funcionar um motor a vapor (6), cuja produção de energia mecânica fazia funcionar uma máquina de impressão. A água era fornecida por um tanque (O.