Energia solar by Youssefbrasil

Paola Beatriz May Rebollar Paulo Roberto Rodrigues

Energias Renováveis

Energia Solar

Organizadores

José Baltazar Salgueirinho Osório de Andrade Guerra Youssef Ahmad Youssef Consórcio de Universidades Européias e Latino-Americanas em Energias Renováveis – JELARE

Edição – Livro Digital Organizadores (Brasil) José Baltazar Salgueirinho Osório de Andrade Guerra Youssef Ahmad Youssef

Professores Conteudistas Paola Beatriz May Rebollar Paulo Roberto Rodrigues

Design Instrucional Aline Cassol Daga Sabrina Bleicher

Projeto Gráfico e Capa Jordana Paula Schulka

Diagramação Jordana Paula Schulka

Revisão Jaqueline Tartari

Assessoria de Comunicação e Marketing - C&M Assessor Laudelino José Sardá

Diretora Maria do Rosário Stotz

Gestora Editorial Alessandra Turnes

Paola Beatriz may Rebollar Paulo Roberto Rodrigues

Energias Renováveis

Energia Solar Livro Digital

Designer Instrucional Aline Cassol Daga Sabrina Bleicher

Parcerias

Principal Parceiro – Germany Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg www.haw-hamburg.de/ftz-als.html

Latvia Rēzeknes Augstskola www.ru.lv

Bolívia Universidad Católica Boliviana www.ucb.edu.bo

Brasil Universidade do Sul de Santa Catarina www.unisul.br

Chile Universidad de Chile www.uchile.cl

Guatemala Universidad Galileo www.galileo.edu

Projeto financiado pela União Européia

Sumário 1. Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. Papel da energia solar no contexto internacional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3. A busca de estratégias para geração de energia limpa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 4. Energia solar e sustentabilidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 A sustentabilidade da energia solar do ponto de vista tecnológico. . . . . . . . . . 18 A sustentabilidade da energia solar do ponto de vista social. . . . . . . . . . . . . . . . . 19 A sustentabilidade da energia solar do ponto de vista econômico. . . . . . . . . . . 21

5. Radiação solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Captação e conversão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Radiação solar em nível do solo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6. O aproveitamento da energia solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 7. Energia termossolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Aquecimento solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Descrição e design das instalações termais solares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Conversão da energia termossolar em eletricidade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Descrição e design das instalações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Energia termossolar e impactos ambientais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

8. Energia solar fotovoltaica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Uma breve contextualização histórica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 O Silício. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 As células fotovoltaicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Os módulos fotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 O arranjo fovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Os acumuladores (baterias). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Os controladores de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 O inversor CC para CA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 O sistema fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Eficiência dos painéis fotovoltaicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Custo do painel fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Impactos ambientais da energia fotovoltaica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Vantagens da energia fotovoltaica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

9. Estudo de caso: dimensionamento de um sistema fotovoltaico de uma pequena escola. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 10. Considerações finais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Referências bibliográficas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Referências de ilustrações e tabelas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

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1. Introdução

rande parte da economia moderna está centrada no consumo de energia, e com base nisso é possível definir o nível de desenvolvimento tecnológico de um país ou região. Os países industrializados consomem grandes quantidades de energia para manter suas economias. A disponibilidade de energia também tem forte relação com a qualidade de vida das pessoas, tanto que os principais benefícios recebidos com o desenvolvimento tecnológico dos últimos dois séculos foram a provisão de energia e de água potável para casas e indústrias. No entanto, leis termodinâmicas, há muito conhecidas, apontam para uma relação entre consumo de energia e aumento de desordem em sistemas. De forma simplificada, isso quer dizer que ao consumir energia, também são gerados problemas ambientais. A quantidade e importância dos problemas ambientais causados pela geração e pela utilização de energia nos sistemas econômicos variam conforme a fonte energética escolhida. A partir do desenvolvimento das indústrias modernas, os combustíveis fósseis passaram a ser utilizados como principais fontes energéticas. No século XX, crises econômicas relacionadas à utilização desses tipos de combustíveis estimularam o desenvolvimento de pesquisas que envolviam a exploração de fontes renováveis de energia. Energias renováveis

Energias não renováveis são aquelas cujo aproveitamento é finito ou que não se repõem na mesma velocidade de sua utilização. São assim o petróleo, o gás, os combustíveis nucleares, o carvão mineral, entre outros. A fonte de energia renovável é assim entendida quando sua reposição é mais rápida que o ritmo de sua utilização pelo homem. Nesse grupo estão a energia hidráulica, a eólica, a solar, a biomassa, entre outras.

Diante da experiência com fontes energéticas finitas ou não renováveis, as pesquisas científicas passaram a buscar formas de energia renováveis que apresentassem maiores chances de sustentabilidade.

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Sustentabilidade

A expressão “sustentável” ou “sustentabilidade” passou a ser utilizada com maior frequência a partir da Conferência das Nações Unidas no Rio de Janeiro – ECO92. O conceito de sustentabilidade estaria apoiado no tripé: sustentabilidade econômica (possibilidade de desenvolvimento econômico duradouro); sustentabilidade ambiental ou ecológica (possibilidade de desenvolvimento em equilíbrio com as potencialidades e limitações dos sistemas naturais); e sustentabilidade social (distribuição justa dos rendimentos e serviços fornecidos pela economia e pelos sistemas naturais).

A energia é a base para o crescimento econômico e para o desenvolvimento social, por isso, é impossível considerar um futuro em que a demanda de energia seja reduzida. Da mesma forma, é evidente a necessidade de buscar novas fontes energéticas que reduzam os problemas ambientais causados por sua exploração. No momento atual, as energias solar, eólica, de ondas e hidroeletricidade se destacam como as principais fontes renováveis disponíveis no planeta. Dentre essas, destaca-se a energia solar, que será o tema central deste estudo. Energia solar

Energia solar é o nome dado a qualquer tipo de captação de energia luminosa originada pelo sol. Caracteriza-se por ser uma opção renovável e limpa de produção de energia.

A energia solar é uma fonte utilizada desde a Antiguidade no planejamento agrícola, arquitetônico, entre outros. Desde então são construídos equipamentos para o melhor aproveitamento dessa fonte de energia. Em sua forma natural (passiva), a energia solar pode ser largamente utilizada para produção de alimentos (agricultura e pecuária) e na arquitetura. Em sua forma ativa, diferentes tecnologias permitem ainda o aproveitamento da radiação na forma de calor ou de eletricidade. Esses aproveitamentos podem ser aplicados no aquecimento e no resfriamento de água e de ambientes; na iluminação artificial; no cozimento ao sol; no funcionamento de equipamentos diversos; na obtenção, dessalinização ou descontaminação da água; e na irrigação de culturas. As formas de aproveitamento da energia solar serão também assunto relevante neste estudo que agora se inicia.

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Uma questão curiosa é que apenas uma pequena fração da energia solar disponível é utilizada. Isso porque a radiação solar que chega na Terra diariamente supera a demanda energética de toda a população do planeta por um ano. Sendo assim, qual é o potencial do sol para suprir as necessidades energéticas das sociedades modernas? Para responder a essa pergunta observe o raciocínio de Ruther (2004, p. 8): O sol pode ser considerado um reator à fusão nuclear operando a cerca de 100.000.000oC a uma distância média da Terra de aproximadamente 150.000.000km. A constante solar: no topo da atmosfera a radiação solar é reduzida a 1353W/m2. [...] ao atravessar a atmosfera, a radiação solar sofre atenuação por absorção O3 (UV), H2O (IR) e CO2 (IR) e espalhamento pelo ar, vapor d’água e poeira. Assim, a intensidade de radiação que chega à superfície da Terra ao meio-dia é da ordem de 1.000 W/m2, também denominada 1 SOL. O fluxo solar e a demanda energética da Terra: o fluxo solar, a energia radiante ou potência instantânea total que incide sobre a Terra é da ordem de 1,75 x 1017 W (raio da Terra = 6,4 x 106m; área da seção reta da Terra = 1,3 x 1014m2; GAMO = 1,353 W/M2). Por outro lado, a demanda energética mundial é da ordem de 3,4 x 106 Wh/ano. Assim, podemos calcular o tempo necessário para que incida sobre a Terra uma quantidade de energia solar equivalente à demanda energética mundial anual: t = (3,4 x 1016 x 60) / 1,75 x 1017 = ~12 minutos!

Neste estudo, será apresentado, em uma primeira parte, o papel da energia solar no contexto internacional e como é realizada a busca de estratégias para geração de energia limpa. A seguir, o estudo concentra-se nas questões da energia solar e apresenta conteúdos sobre a radiação solar e o aproveitamento da energia solar. A partir disso, o estudo foca-se nas questões da energia termossolar e da energia fotovoltaica, apresentando, por fim, as vantagens e os impactos ambientais recorrentes do uso desse tipo de energia renovável. Bons estudos!

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2. Papel da energia solar no contexto internacional

fonte principal de energia utilizada pelas sociedades industriais na atualidade são os combustíveis fósseis. Seu uso gerou fenômenos indesejáveis como a poluição do ar e do ambiente, o aceleramento do efeito estufa, a redução na camada de ozônio e a chuva ácida. Além disso, as fontes desse tipo de combustíveis são finitas - as estimativas indicam que seus depósitos estão se esgotando. As principais estratégias relacionadas a esse problema se referem à redução das emissões e à busca de novas fontes de energia baseadas em recursos renováveis. No último caso, a energia solar se destaca pela abundância e ampla distribuição na natureza. A radiação solar é a principal entrada energética dos sistemas do planeta Terra; e sua fonte, o sol, é praticamente inesgotável. Acredita-se que no futuro esse tipo de energia deva desempenhar um importante papel, principalmente em países em desenvolvimento, mas, no momento atual, existem grandes diferenças quanto ao desenvolvimento e à aplicação da tecnologia solar em cada país. De forma geral, podemos dizer que em diversos países a utilização da energia solar teve início com a aplicação termal, ou seja, os sistemas de aquecimento de água foram as primeiras tecnologias solares utilizadas. Com o passar do tempo, novas aplicações da radiação solar passaram a ser desenvolvidas; surgiram as tecnologias fototermal e fotovoltaica, que permitiram a transformação da energia solar em eletricidade. Essa tecnologia ampliou as aplicações da fonte solar. Atualmente, novas aplicações vêm sendo desenvolvidas. A utilização da radiação solar como fonte de energia renovável varia conforme o país ou região do planeta. As variações se referem, em primeiro lugar, às diferentes quantidades de radiação solar recebidas pelos países do mundo anualmente. Essa distribuição variada demanda diferentes tecnologias que possibilitam maior efetividade na captação de radiação solar. A Figura 1 representa a distribuição da energia solar recebida por diferentes áreas do planeta anualmente. Nessa figura, os pontos pretos representam a área necessária para atender toda demanda energética da Terra na mesma unidade de tempo.

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Figura 1 – Distribuição da energia solar em diferentes áreas do planeta 1

Outra questão que promove diferentes cenários de utilização da radiação solar como fonte de energia renovável diz respeito ao contexto político e econômico de países distintos. A estabilidade econômica e a equidade social aumentam as possibilidades de utilização do potencial solar para geração de energia. Dessa forma, os países desenvolvidos são os maiores produtores e consumidores de tecnologia solar, sendo que os dois maiores mercados mundiais são Japão e Alemanha (RUTHER, 2004). O Japão dispõe de 1,13 GW instalados, a Alemanha conta com 794 MW, e os Estados Unidos com 365 MW instalados. Na União Europeia, a Alemanha domina 34% do mercado, seguida pela Grécia com 27% e a Áustria com 16%. No que se refere à produção de energia elétrica a partir da radiação solar, a capacidade instalada mundialmente é de aproximadamente 2,6 GW. Esse valor equivale a cerca de 20% da capacidade instalada da Usina Hidrelétrica de Itaipu, maior usina brasileira, localizada no estado do Paraná. Já os países desenvolvidos têm usinas centralizadas para produção de energia elétrica a partir da radiação solar. Desde 2007 entrou em funcionamento a Central Solar Fotovoltaica de Serpa (CSFS), que é a maior usina solar do mundo, com capacidade de 11 MW. Esta usina está situada em uma das áreas que recebem mais radiação solar da Europa (a freguesia de Brinches, Alentejo, Portugal) e é capaz de abastecer aproximadamente 8 mil moradias. Outra usina solar está sendo construída na mesma província portuguesa, na cidade de Amareleja, no conselho de Moura, e terá capacidade de produzir 6 vezes mais energia elétrica do que a CSFS.

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Usinas solares estão sendo construídas também em outros países, como é o caso da Austrália. Nesse país, uma usina com capacidade de 154 MW será capaz de atender à demanda energética de 45 mil habitações e deve entrar em funcionamento em 2013. E nos Estados Unidos, uma usina solar fototérmica será construída no Estado do Arizona e está sendo anunciada como a maior do mundo. Segundo seus investidores, essa usina será capaz de produzir 280 MW.

Figura 2 – Usina Solar PS10, na Espanha 2

As usinas solares apresentam como vantagens a utilização de uma fonte de energia renovável e a redução das emissões de gases de efeito estufa. No entanto, essas usinas não são capazes de produzir eletricidade no período noturno, o que reduz sua eficiência econômica. Nos países europeus, pesquisas desenvolveram estratégias que permitem o aproveitamento solar mesmo durante a noite. Um exemplo disso é uma usina localizada na Espanha, a PS10, que é capaz de captar a radiação solar diurna e gerar energia elétrica à noite pelo acionamento de turbinas a vapor. Observe o exposto na notícia a seguir. Nova geração de usinas solares garante eletricidade mesmo quando o sol se põe. A energia solar, captada por painéis de silício, é apontada como uma das melhores alternativas para diminuir a dependência mundial dos combustíveis fósseis na produção de eletricidade. Seu uso doméstico se disseminou, mas usinas de painéis solares com potência suficiente para iluminar milhares de casas ainda são caras e têm baixa capacidade de armazenamento. Além disso, elas têm uma grande limitação: não funcionam à noite. Uma nova geração de usinas solares, chamadas de térmicas, vem se firmando como uma opção para produzir eletricidade com a ajuda do sol. Ao contrário das convencionais, que usam a luz para ativar painéis fotovoltaicos, as usinas térmicas utilizam o calor dos raios solares, refletidos por espelhos e captados por uma torre receptora.

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Esse calor é usado para aquecer um fluido, geralmente sal liquefeito, que permanece estocado em reservatórios em alta temperatura – como café quente numa garrafa térmica. Quando há demanda por eletricidade, o fluido é conduzido até um gerador e o vapor que ele desprende move uma turbina, produzindo eletricidade. O fluido é reaproveitado e, ao longo do dia, o conjunto de espelhos se movimenta para manter o melhor ângulo de captação da luz e do calor do sol. Esse sistema, com tecnologia bem mais simples que a empregada nas usinas fotovoltaicas, é semelhante ao usado nas termelétricas, com a enorme vantagem de não produzir poluição atmosférica. Há atualmente no mundo cerca de cinquenta usinas solares térmicas em diferentes estágios de planejamento ou construção. A PS10, próxima a Sevilha, na Espanha, está em operação há um ano. Por enquanto, ela consegue armazenar o calor produzido durante meia hora. Quando novas tecnologias já em desenvolvimento forem utilizadas, prevê-se que usinas como a PS10 serão capazes de estocar calor por até vinte horas.

3. A busca de estratégias para geração de energia limpa

lguns países estabeleceram incentivos fiscais para desenvolver e operar sistemas de geração de eletricidade a partir de fontes limpas. Com isso, passaram a estimular a pesquisa e a produção de equipamentos necessários para abastecer o mercado solar. Existem diversos exemplos de usinas sendo construídas ou operando no mundo: a . Grécia – usina solar com sistemas coletores parabólicos e 50MW de capacidade; b. Itália – usina solar com sistemas coletores parabólicos e 40MW de capacidade; c . Espanha – usina solar com sistemas coletores parabólicos, torre solar e capacidade total de 500MW; d . EUA – usina solar com sistemas coletores parabólicos e 50MW de capacidade;

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e. Argélia – usina híbrida com sistemas coletores parabólicos e 140MW de capacidade total, dos quais 25MW provêm da fonte solar; f . Egito – usina híbrida com sistemas coletores parabólicos e 150MW de capacidade total, dos quais 30MW provêm da fonte solar; g. Índia – usina híbrida com sistemas coletores parabólicos e 140MW de capacidade total, dos quais 30MW provêm da fonte solar; h . México – usina híbrida com sistemas coletores parabólicos e 291MW de capacidade total, dos quais 30MW provêm da fonte solar; i . Marrocos – usina híbrida com sistemas coletores parabólicos e 220MW de capacidade total, dos quais 30MW provêm da fonte solar. Nos países em desenvolvimento, a utilização de fontes solares apresenta um cenário distinto. A utilização da radiação solar como fonte de energia renovável é afetada por questões tecnológicas e pelo contexto político e econômico.

UNEP O Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (UNEP, na sigla em inglês) é uma instituição internacional que fomenta pesquisas e aplicações relacionadas à energia solar em diferentes regiões do planeta. Sua atuação se estende por duas áreas principais: i) a implantação de sistemas solares em locais não abastecidos por sistemas energéticos convencionais; ii) a disponibilização de informações confiáveis sobre o potencial solar de cada região do planeta.

A implantação de sistemas solares em locais não abastecidos por sistemas energéticos convencionais conta com o apoio de países na África e na Ásia. Nos países parceiros, comunidades rurais em áreas distantes ou isoladas recebem sistemas solares de geração de energia elétrica. A instalação desses sistemas permite melhoria na qualidade de vida das comunidades porque possibilita acesso a serviços básicos como fornecimento de água, saúde, educação e outras facilidades possíveis pela utilização de energia elétrica (MADAMOMBE, 2006).

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Uma inovação interessante está relacionada ao desenvolvimento de um sistema de energia solar móvel. O objetivo desse sistema é facilitar o acesso a fontes de energia solar em áreas rurais, como é possível observar na notícia a seguir. Donauer apresenta sistema de energia solar móvel A Donauer Solartechnik, especialista em soluções de energias solares, apresentou o novo Sistema de Energia Solar Móvel (SESM). Este sistema inovador está integrado num contentor que inclui todos os equipamentos para o fornecimento de energia fotovoltaica. A gestão inteligente da energia permite que se utilize o SESM como sistema autônomo nas zonas rurais, em sistemas de telecomunicações ou como auxílio às redes existentes. Um pico de 36 kW pode ser ligado ao modelo em que a energia da bateria seja de 144 kWh.Para garantir um bom serviço da bateria, foi colocado um sistema de refrigeração com ar condicionado ativo e passivo que garante um elevado desempenho mesmo a altas temperaturas. O sistema de filtro profissional inclui limpeza automática (AMBIENTE ONLINE, 2011).

No Brasil, a regulamentação legal para geração de energia elétrica com fontes intermitentes, como as energias solar e eólica, teve início em 2004, com a resolução 83 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Esse regulamento estabeleceu que o fornecimento de energia a partir de fontes solares tinha que ser em corrente alternada e com tensão igual àquela apresentada pelos sistemas de distribuição públicos, entre outros critérios. A resolução 83 da ANEEL também estabeleceu que as concessionárias que utilizavam a tecnologia fotovoltaica precisavam da aprovação desse órgão público, e essa aprovação passou a ser obtida a partir da apresentação de um projeto contendo aspectos técnicos dos sistemas, procedimentos para leitura e faturamento. Existem poucas iniciativas para oferecer energia elétrica a partir da radiação solar em escala industrial no Brasil. Desde 2004, pesquisadores do Rio Grande do Sul desenvolvem uma planta-piloto para a produção industrial de módulos fotovoltaicos, com o objetivo de produzi-los a partir de matérias-primas que permitam reduzir o preço em 15%. Outro projeto brasileiro foi implantado pela Eletronorte na comunidade de Xapuri, no estado do Acre. Foi implantado um sistema com corrente alternada, um sistema com corrente contínua e outro sistema misto com corrente alternada e corrente contínua.

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Além desse, um projeto semelhante foi implantado pela Eletrobras Amazonas com o objetivo de fornecer energia elétrica a doze comunidades amazônicas: Comunidades do Amazonas receberão sistemas de geração de energia solar Projeto pioneiro da Eletrobras Amazonas Energia vai levar de geração de eletricidade a partir do sol para 12 comunidades do Amazonas. O projeto de minirredes faz parte do programa Luz para Todos, de universalização do acesso à energia elétrica, e utiliza a irradiação solar (luz do sol). Os sistemas serão instalados nos municípios de Autazes, Barcelos, Beruri, Eirunepé, Maués e Novo Airão. A expectativa é a melhora na qualidade de vida das populações beneficiadas, na medida em que oferecerá aperfeiçoamento nas condições dos serviços de utilidade pública, como o funcionamento das escolas no período noturno e melhoria no atendimento em postos de saúde. Em paralelo à instalação dos equipamentos, a Guascor Solar, empresa responsável pelo sistema, apresenta a tecnologia aos futuros usuários. Para isso, as comunidades passaram por um treinamento para garantir o uso adequado, com segurança e qualidade. As aulas abordam como devem ser escolhidos e usados os eletrodomésticos e explicações sobre sustentabilidade, além de questões relacionadas à segurança (PORTAL AMAZÔNIA, 2011). Um aspecto crítico da ampliação do uso da radiação solar como fonte de energia renovável está relacionado à disponibilização de informações confiáveis sobre o potencial solar de cada região do planeta. Visando a aumentar a disponibilidade desse tipo de informação, o UNEP criou uma base de dados chamada Base de Dados dos Recursos Globais (GRID, na sigla em inglês), na qual não constavam informações sobre os recursos solares. Para obter tais informações, esse programa criou o projeto Avaliação dos Recursos Solares e Eólicos (SWERA, em inglês) que conta com os recursos do Global Environment Facility (GEF), além de dispor de representantes de diferentes países. O SWERA pretende disponibilizar informações sobre o potencial de geração de energia apresentado pela radiação solar em diferentes regiões do planeta. Essas informações são úteis para o planejamento do setor energético de cada país ou região e podem atrair investimentos privados.

O projeto SWERA busca gerar desde mapas com os componentes da radiação solar até informações sobre socieconomia e infraestrutura das diferentes regiões do planeta. Segundo Martins et al (2004), esse projeto vai gerar informações relevantes para o Brasil como:

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» » mapas de irradiação solar com alta definição; » » construção de séries temporais horárias; » » elaboração de diferentes cenários de aproveitamento de energia solar; » » disponibilização dessas informações em várias mídias. Convencionalmente, a obtenção de informações sobre o potencial solar de uma região era realizada por meio da utilização de radiômetros. Esses equipamentos são capazes de apresentar informações pontuais confiáveis. No entanto, os resultados finais são obtidos por processos de extrapolação e interpolação entre estações superficiais distantes umas das outras. Além disso, os radiômetros apresentam custos altos quando se trata da implantação de redes de radiômetros que permitem a avaliação de amplas extensões físicas (MARTINS et al, 2004). Para contornar esses problemas estão sendo usados satélites geoestacionários associados a modelos computacionais. A partir dos dados obtidos por satélites no topo da atmosfera terrestre, modelos computacionais são capazes de fornecer estimativas diárias e horárias de irradiância solar em diferentes pontos da superfície do planeta. Martins et al (2004) destaca pesquisas onde dados obtidos pela associação satélites-computadores são comparados a dados obtidos por redes de radiômetros com mais de 35-50km de distância entre si. Nesses estudos, os dados obtidos pela associação entre satélites e modelos computacionais são mais confiáveis. A geração de informações a partir de dados de satélites e modelos computacionais permite a integração de grandes volumes de dados conforme proposto pelo projeto SWERA, mas ainda existem limitações quanto ao uso dessas tecnologias, tais como a baixa densidade temporal dos imageamentos do satélite e a falta de disponibilidade de dados precisos sobre a presença de partículas na atmosfera (aerossóis) e sobre propriedades físicas das nuvens (MARTINS et al, 2004).

INPE As informações sobre este projeto são mantidas atualizadas no site do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), disponível em: <http://www.dge.inpe.br/swera/EN/bdd/bdd_pub.html>.

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4. Energia solar e sustentabilidade

energia solar apresenta vantagens ecológicas fortes devidas à sua fonte renovável e à ampla oferta e distribuição. No que se refere à sustentabilidade social, esse tipo de energia também apresenta apelos relevantes. O uso da energia solar pode permitir o desenvolvimento de áreas distantes onde os custos ecológicos e ambientais da implantação de outras formas de produção de energia são altos, porém, com o armazenamento e distribuição de energia a partir da fonte solar poderemos ter uma viabilidade econômica. Nesta seção vamos avaliar o potencial de sustentabilidade (econômica, ecológica e social) da utilização da energia solar.

A sustentabilidade da energia solar do ponto de vista tecnológico O uso da tecnologia solar para produção de eletricidade apresenta benefícios ecológicos. As usinas solares fototermais e fotovoltaicas permitem ampliar a produção de eletricidade com pouca ou nenhuma emissão de gases de efeito estufa. Suas implantações em locais apropriados permitem a utilização de sistemas de distribuição de eletricidade já existentes, evitando mais intervenções em ecossistemas naturais. Quando são implantados sistemas descentralizados de aproveitamento solar para geração de eletricidade há ainda mais vantagens ecológicas. A primeira dessas vantagens diz respeito à possibilidade de impedir diversos impactos ambientais causados pela instalação de usinas centralizadas e seus sistemas de distribuição. Dessa forma, sistemas solares em áreas rurais ou urbanas não necessitam de áreas desmatadas ou paisagens alteradas pela mineração ou por inundações programadas, no entanto, o uso de minérios raros ou tóxicos diminui os benefícios ecológicos da aplicação da tecnologia fotovoltaica. Os aproveitamentos fototermais para geração de energia elétrica apresentam grande potencial para mitigar as mudanças climáticas e reduzir o consumo de combustíveis fósseis. Avaliações de ciclo de vida das usinas fototermais associados à Avaliação de Impactos Ambientais de sistemas solares mostram que tais usinas são adequadas para a tarefa de reduzir a emissão de gases de efeito estufa e outros poluentes sem reduzir a qualidade ambiental ou gerar riscos de contaminação.

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A energia solar termal pode ser utilizada ainda para diversos fins relevantes ao cotidiano, como para o cozimento de alimentos em fornos solares. Essa aplicação poderia reduzir a pressão sobre recursos não renováveis (como o gás natural e o carvão) e sobre recursos renováveis (como a lenha). Além disso, Bahnemann (2004) destaca que há pelo menos 20 anos são realizadas pesquisas sobre a fotocatálise. A fotocatálise é uma tecnologia que permite a destruição de compostos pela ação da luz. Uma das principais aplicações dessa tecnologia é a degradação de poluentes orgânicos na água e nas correntes de ar através de processos de oxidação avançada. Essa tecnologia apresenta baixo impacto ambiental e há a possibilidade de sua aplicação em amplas regiões. Os principais objetivos das pesquisas científicas atuais estão relacionados à fotocatálise como requerimento para eficiência do processo. Outro objetivo que vem recebendo ampla dedicação dos pesquisadores diz respeito à busca de formas de geração de luz por meio de equipamentos mais baratos, o que permitiria a rápida comercialização do tratamento de água através de fotocatálise.

O texto de Bahnemann (2004) descreve em detalhes diversos reatores solares para tratamento de água por meio de fotocatálise e comparações gerais sobre suas performances.

Outro uso da energia solar que apresenta vantagens ecológicas é a secagem e armazenamento de produtos agropecuários, além do uso do ar natural, como apresentam Rossi e Roa (1980). Essa pesquisa buscou definir uma estratégia de baixo custo e baixo impacto ambiental para engenheiros, técnicos e agricultores que trabalham com café, cacau, frutas e outros grãos na região de Campinas, São Paulo, Brasil.

A sustentabilidade da energia solar do ponto de vista social Segundo o Fundo das Nações Unidas para Alimentação (FAO), existem mais de 1 bilhão de pessoas no mundo que não têm acesso à eletricidade. Na União Europeia existem cerca de 50 milhões de indivíduos que não conseguem manter seus lares em temperaturas adequadas pela ausência de eletricidade. Na Venezuela, 1 milhão de cidadãos das áreas rurais não dispõem de abastecimento regular de energia elétrica segura e confiável. No Brasil, segundo dados do Ministério de Minas e Energias, existem cerca de 10 milhões de brasileiros vivendo em localidades sem energia elétrica, a maioria no estado do Amazonas e na região Centro-Oeste.

20 l ENERGIA SOLAR

É amplamente reconhecido que o desenvolvimento social e econômico em qualquer região do mundo implica no abastecimento de energia com custos acessíveis para garantir a qualidade de vida e permitir a produção e acesso a alimentos. Uma grande dificuldade para alcançar esse objetivo está relacionada à implantação de infraestrutura básica capaz de fornecer esses serviços. Em muitas regiões do planeta, dificuldades econômicas e ecológicas levam milhares de pessoas a viver sem esses benefícios modernos. A energia solar pode avançar para locais distantes mesmo sem a necessidade de implantação de sistemas centralizados de abastecimento. Diversos exemplos de utilização da energia solar em países em desenvolvimento permitem analisar a viabilidade social dessa forma de energia. Em 2007, 100 mil pessoas em estado de extrema pobreza em regiões rurais da Índia passaram a receber diversas horas diárias de eletricidade gerada pela energia solar. Esse foi um projeto do Programa Ambiental da Organização das Nações Unidas (UNEP) que busca expandir o acesso à eletricidade por meio de fontes renováveis e limpas para comunidades pobres em países em desenvolvimento e que teve um investimento de 1,5 milhões de dólares. Nesse projeto, algumas horas de luz com lâmpadas entre 20 e 40 watt auxiliam na educação infantil e aumentam a produtividade nos grupos artesanais de tecelagem e bordados, além de auxiliar na venda de frutas que não são escurecidas pela fumaça de lamparinas a querosene. O UNEP persuadiu banqueiros indianos a financiarem pequenos sistemas solares com custos entre 300 e 500 dólares cada, e que são capazes de atender entre duas e quatro pequenas aplicações (UNEP, 2011). Também na Tunísia foram estabelecidos projetos para financiamento de aquecedores de água de base solar. O UNEP financiou 16 mil projetos nesse país. Projetos similares estão sendo estabelecidos na China, Indonésia, Egito, México, Gana, Marrocos e Argélia (UNEP, 2011). Na maior parte do continente africano, no máximo 20% dos africanos têm acesso à eletricidade (com exceção dos moradores da África do Sul e do Egito). Em diversas partes da África, como Zimbábue e Mali, áreas rurais e mesmo áreas urbanas apresentam grandes dificuldades de conexão com redes de eletricidade centralizadas já estabelecidas. Diante disso, alguns países buscam formas inovadoras para oferecer às famílias rurais energia para cozinhar seus alimentos e iluminar suas residências. Fontes de energia solar individuais, como a solar, a eólica e a mini-hidrogeradores estão ajudando a preencher a lacuna (MADAMOMBE, 2006). O governo do Zimbábue instalou 9 mil sistemas solares em vilas do país, modelo em que propriedades agrícolas familiares compartilham os sistemas. Cada família possui duas lâmpadas e uma conexão para rádio ou televisão pequena. Nessas vilas, a educação infantil melhorou, reduziu-se a migração rural-urbana e foram implantados centros de saúde locais, o que melhorou a qualidade de vida nas comunidades.

ENERGIA SOLAR l 21

Além do uso doméstico, a energia solar pode ser utilizada para abastecer pequenos negócios como moinhos, pequenas fábricas artesanais, lojas, escolas e postos de saúde. A geração de energia solar permite um aumento de produção e um atendimento melhor aos clientes. Existem ações positivas em diversos países no que se refere à ampliação do acesso à eletricidade por meio da energia solar. Os Estados Unidos traçaram como meta aumentar a contribuição das energias limpas para 85% do consumo até 2035. A União Europeia visa atingir uma meta de 100% em fontes renováveis na geração de energia elétrica para 2050. A China busca ampliar sua produção de painéis solares e equipamentos baseados em fontes limpas para o setor de serviços e transportes. Também no Peru e na Argentina existem projetos de aproveitamentos fotovoltaicos.

A sustentabilidade da energia solar do ponto de vista econômico Para avaliar a viabilidade econômica da utilização da energia solar, pesquisadores buscam estimar o montante total de radiação solar terrestre. Essa avaliação é realizada por meio de diferentes modelos lineares. No entanto, o fenômeno da radiação solar não é linear e pode ser alterado por alterações temporais e espaciais causadas por nuvens ou pela turbidez em diferentes camadas atmosféricas (ODUM, 1983). Os projetos implantados pela ONU na África também destacaram aspectos econômicos da implantação de sistemas de geração de energia através da utilização da fonte solar. Segundo Madamombe (2006), a implantação de um típico sistema domiciliar de abastecimento na África Subsaariana custa entre quinhentos e mil dólares. Esses sistemas são capazes de prover luz para no máximo seis ambientes e para o funcionamento de uma televisão com imagem preta e branca a cada noite. Isso pode parecer pouco comparado aos padrões dos países ocidentais, mas o sistema alcança os objetivos da maioria dos lares africanos que hoje não recebe energia de nenhuma fonte. Dessa forma, a relação custo-benefício ainda é adequada apesar dos custos iniciais (MADAMOMBE, 2006). Diante da quantidade de áreas sem fornecimento de energia, a obtenção de recursos que permitam a implantação de sistemas é fundamental. Nos projetos africanos, sistemas inovadores de financiamento, como taxas por serviço, podem ser utilizados. Além disso, busca-se instalar painéis que possam fornecer energia para diversas casas, ao invés de sistemas individuais, os quais são capazes também de reduzir os custos econômicos. Ainda é possível citar a possibilidade de reduzir custos por meio da remoção de barreiras alfandegárias que aumentam os custos para a produção dos painéis solares. Por fim, projetos de estímulo à cooperação regional na produção desses painéis também são estimulados pela ONU nos projetos desenvolvidos no continente africano (MADAMOMBE, 2006).

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Com base nos custos econômicos da implantação da energia solar, o comprometimento dos líderes governamentais é fundamental na provisão de áreas rurais distantes de centros urbanos. Mandombe (2006) apresenta o exemplo dos líderes sul-africanos que foram capazes de modificar o mercado, antes dominado pelas vendas particulares, através de uma política massiva para aquisição de equipamentos. Também países como Botsuana, Namíbia, Suazilândia e Zâmbia criaram mercados solares em seus territórios através da criação de fundos governamentais para apoiar o crédito do consumidor. A implantação de sistemas solares para abastecimento não doméstico pode ser fornecida por empresas públicas ou privadas por meio da cobrança de taxas de instalação e aluguéis mensais. Em relação à África do Sul, Madombe (2006) destaca que para a implantação de sistemas solares são cobradas taxas de aproximadamente 33 dólares e aluguéis mensais de 6,25 dólares. Nos países ocidentais, a energia solar termal apresenta uma das melhores relações custo-benefício do mercado. Nesses países, a energia solar é utilizada principalmente para o aquecimento de água em moradias (chuveiros, pias, piscinas). O estudo da ONG WWF destaca alguns aspectos relacionados à aplicação em ampla escala de fontes de energia renováveis como a solar: Apesar de possível, a mudança das atuais fontes energéticas para meios renováveis terá que superar muitos desafios. Um deles são os investimentos necessários para aumentar a geração de energia renovável. Segundo a pesquisa, nos próximos 25 anos, os investimentos devem passar de um trilhão de Euros por ano para 3,5 trilhões de Euros por ano. A partir de 2040, tendo reduzido a dependência em combustíveis fósseis em 70%, estes gastos começariam a se pagar, superando os custos. Em 2050, a demanda de energia seria 15% menor que em 2005, apesar do crescimento da população mundial para nove bilhões de habitantes, e seriam economizados anualmente cerca de 4 trilhões de Euros, em razão da eficiência energética e dos custos reduzidos dos combustíveis alternativos. O relatório vem ao encontro da pesquisa divulgada esta semana pela empresa Accenture e pelo banco Barclays Capital, que sugere que a Europa precisará investir 2,9 trilhões de Euros, ou 25% de seu PIB, para alcançar sua meta na redução das emissões de carbono (VIEIRA, 2011).

As principais críticas relacionadas ao desenvolvimento de projetos de aproveitamento da energia solar como fonte renovável dizem respeito ao custo de produção e implantação dos sistemas. Os críticos destacam que é necessário longo tempo para recuperar os investimentos:

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Hoje, o preço médio por quilowatt-hora de uma usina solar térmica é de 17 centavos de dólar, contra 7 nas termelétricas a carvão e 5 nas hidrelétricas. Ainda assim, a eletricidade gerada pelas usinas térmicas é 40% mais barata do que a produzida pelas usinas fotovoltaicas. Atualmente, menos de 1% da eletricidade consumida no mundo provém da energia solar, mas, segundo os especialistas, essa porcentagem deverá crescer significativamente. “Minha aposta é que, em alguns anos, a energia produzida com o sol representará 5% da eletricidade usada no planeta”, disse à VEJA o engenheiro William A. Beckman, diretor do laboratório de energia solar da Universidade de Wisconsin-Madison, nos Estados Unidos. Um estudo do Instituto de Energia da Universidade da Califórnia, divulgado no início do ano, mostra que a energia solar térmica se tornará economicamente competitiva muito antes que a fotovoltaica. O custo de construção das usinas é menor, e o aproveitamento da eletricidade gerada, maior (NEIVA, 2008).

No que se refere às usinas solares para geração de eletricidade, o custo de implantação pode cair conforme aumentam os volumes de energia produzida. Nos Estados Unidos, estudos realizados nesse tipo de usina apontam custos próximos a 15 centavos de dólar/kMh. Tecnologias avançadas, produção em massa, melhorias na operação e economia de escala podem levar as usinas solares a níveis de competitividade próximos aos sistemas baseados em combustíveis fósseis. Atualmente, uma estratégia utilizada para reduzir os custos de produção das usinas solares é a utilização de outras fontes de energia, que são as plantas híbridas. Tais usinas podem associar combustíveis fósseis (carvão, gás) à radiação solar na produção de eletricidade tornando seus preços competitivos. Algumas usinas já conseguem produzir energia elétrica com custos entre 14 e 17 centavos de dólar/kWh. Espera-se conseguir custos entre 7 e 8 centavos de dólar/kWh no futuro. Essa redução pode ser alcançada por meio de melhorias nas tecnologias, na produção em massa, na economia em escala e na operação das usinas e dos sistemas de transmissão (em um período entre 10 e 15 anos). Tais melhorias tornariam essa forma de geração de energia competitiva em relação aos combustíveis fósseis. Em países onde existem incentivos para produção de eletricidade ecologicamente adequada ou onde podem existir recompensas monetárias pela redução/eliminação da poluição atmosférica existe maior possibilidade de crescimento do setor de energia solar. No Brasil, o alto custo dos sistemas solares representa um fator de desestímulo à adoção dessa fonte energética. Aqui o preço médio do watt é de aproximadamente 5 dólares, quase cinco vezes maior do que o valor da energia produzida por sistemas hidrelétricos. Apesar desses valores, a capacidade instalada de empreendimentos solares em diferentes regiões do mundo vem aumentando a partir dos anos 2000. Dados divulgados pela FINEP mostram que o mercado de energia solar movimentou cerca de 15 bilhões de dólares em 2006.

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5. Radiação solar

energia solar é a principal fonte de energia do planeta, pois ela constitui o motor dos principais processos térmicos, dinâmicos e químicos. Compreender os fundamentos da energia solar permite compreender sua utilização, suas potencialidades e seus limites. Essa forma de energia é produzida pelo sol e chega à Terra na forma de energia eletromagnética. Radiação solar

A forma de transferência de energia advinda do sol através da propagação de ondas eletromagnéticas ou fótons é chamada de radiação solar.

Captação e conversão A radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre provém da região da fotosfera solar,(uma camada tênue com aproximadamente 300 km de espessura e temperatura superficial da ordem de 5.800 K). Porém, essa radiação não se apresenta como um modelo de regularidade, pois há a influência das camadas externas do sol (cromosfera e coroa), com pontos quentes e frios, erupções cromosféricas etc. Em condições ótimas, ou seja, quando o céu está claro e sem nenhuma nuvem, a iluminação máxima observada ao meio-dia em um local situado ao nível do mar é de 1.000 W/m2. Fora da atmosfera, a intensidade se eleva a 1.377 W/m2. Esse índice é chamado constante solar, sendo utilizado um valor médio, pois o mesmo varia com a distância da Terra em torno do sol. Devido às flutuações climáticas, a radiação solar incidente no limite superior da atmosfera sofre uma série de reflexões, dispersões e absorções durante o seu percurso até o solo. A incidência total da radiação solar sobre um corpo localizado no solo é a soma dos componentes direta e difusa. Sendo assim, a radiação pode ser: » » Irradiação solar (I ou H) – irradiância solar integrada durante um intervalo de tempo especificado, normalmente uma hora ou um dia, medida em watt hora por metro quadrado ou Joule por metro quadrado (Wh/m2 ou J/m2). É simbolizada por “I”, quando integrada em uma hora;“H”, quando integrada em um dia.

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» » Irradiação difusa – irradiância difusa integrada durante um intervalo de tempo especificado -> IDIF ou HDIF. » » Irradiação direta – irradiância direta integrada durante um intervalo de tempo especificado -> IDIR ou HDIR. » » Irradiação global – irradiância global integrada durante um intervalo de tempo especificado -> IHOR ou HHOR. » » Irradiação total – irradiância total integrada durante um intervalo de tempo especificado -> ITOT ou HTOT.

Reflexão Irradiação Solar Difusa

R ad iaçã

Irradiação Solar Direta

o a sfer mo At gases

de da ma Ca

Figura 3 – Tipos de radiação solar 3

Em média, da radiação solar incidente (sobre o sistema Terra/atmosfera): » » 19 % é perdida por absorção pelas moléculas de oxigênio e ozônio da radiação ultravioleta (de alta energia) na estratosfera (onde a temperatura cresce com a altitude); » » 6% é perdida por difusão da luz solar de menor comprimento de onda azuis e violetas - o que faz com que o céu seja azul; » » 24% é perdida por reflexão - 20% nas nuvens e 4% na superfície. O albedo do planeta é de 30% (6% difusão+24% reflexão); » » 51% é absorvida pela superfície (note que os valores apresentados são valores médios, por exemplo, nos polos a reflexão da radiação solar incidente é geralmente maior do que 24%, e nos oceanos, menor do que 24%).

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A energia produzida pelo sol entra na atmosfera a uma velocidade constante de 2 gcal/cm2/min., aproximadamente. Essa energia pode ser dividida em diferentes radiações conforme o comprimento de onda. A radiação que atinge a superfície da Terra apresenta comprimentos de onda entre 0,3 micrômetros e 10 micrômetros ou entre 300 e 10.000 nanômetros (ODUM, 1983). As ondas curtas são os raios gama e raios x. As ondas longas são as ondas de rádio. As ondas médias correspondem à radiação ultravioleta, à luz infravermelha e à radiação visível. A maior parte da radiação solar (99%) apresenta comprimentos de onda curtas e médias e corresponde à região infravermelha próxima e visível do espectro eletromagnético (MARTINS et al, 2004). Existem duas grandezas muito importantes no estudo da radiação solar. A primeira delas é a intensidade da radiação ou irradiância. Temos as seguintes definições de irradiância: » » Irradiância solar (G) – taxa na qual a radiação solar incide em uma superfície (computada pela unidade de área desta superfície) e normalmente ela é medida em watt por metro quadrado (W/m2). » » Irradiância direta (GDIR) – irradiância solar incidente em uma superfície (sem que tenha sido espalhada pela atmosfera) podendo ser horizontal ou normal. » » Irradiância difusa (GDIF) – potência radiante do céu. É recebida em uma unidade de área em uma superfície horizontal e excluída a irradiância direta. » » Irradiância global (GHOR) – potência radiante solar recebida em uma unidade de área em uma superfície horizontal que é igual à irradiância direta mais a irradiância difusa. – – Albedo – índice relativo à fração da energia radiante solar recebida em uma unidade de área, devido à refletância dos arredores e do solo onde está instalado um dispositivo. – – A irradiância devida ao albedo é simbolizada por GALB. » » Irradiância total – (GTOT) – potência radiante solar total com as componentes direta, difusa e de albedo, recebida em uma unidade de área em uma superfície com inclinação qualquer.

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A partir da irradiância é possível definir a segunda grandeza relevante, a densidade do fluxo de radiação. Essa grandeza representa a quantidade de radiação que atravessa um plano em dada unidade de área e de tempo. Segundo Martins et al (2004, p. 247) “chama-se de irradiância a densidade de fluxo de radiação que incide sobre uma superfície, e emitância radiante a densidade de fluxo de radiação emitida por uma superfície.”

Irradiância

Radiação que incide sobre uma superfície. Emitância radiante

Emitância radiante - radiação emitida por uma superfície.

A emitância radiante do sol e a consequente irradiância dessa energia na Terra não são constantes ao longo do ano. A radiação pode ser alterada por fenômenos astronômicos relacionados à órbita da Terra ao redor do sol e por fenômenos solares como manchas, alterações de temperatura e erupções na superfície do sol. No entanto, para fins de cálculo utiliza-se a constante solar (irradiância solar no topo da atmosfera), cujo valor é de aproximadamente 1367 W/m2 (razão da potência pela área). Veja nas figuras a seguir um comparativo entre as irradiâncias horizontal e inclinada em duas estações do ano - no verão (Gráfico 1) e no inverno (Gráfico 2).

Irradiância - Horizontal x Inclinada Florianópolis - 15 / março / 2006

Irradiância (W/m)

1200

Irradiância Horizontal

1000

Irradiância Inclinada

6,43 kWh/m/dia

800

6,88 kWh/m/dia

600 400 200 0

Hora Gráfico 1 – Irradiância Horizontal x inclinada no verão 4

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Irradiância - Horizontal x Inclinada Florianópolis - 04 / julho / 2001 900

Irradiância (W/m)

800 700 600

Horizontal 500

Inclinado 27 400 300 200 100

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

Hora Gráfico 2 – Irradiância Horizontal x inclinada no inverno 5

Além disso, nem toda a energia produzida no sol consegue atravessar nossa atmosfera. A radiação que penetra a atmosfera é fortemente reduzida por partículas presentes na atmosfera (o grau de redução depende do comprimento de onda). Quando atravessa a atmosfera, a radiação solar é atenuada por partículas e moléculas de gases atmosféricos que desencadeiam processos de absorção ou espalhamento. Os átomos emitem um fóton quando passam de estados de maior energia para outro de menor energia. Pelo mesmo processo, os átomos podem absorver um fóton e passar de um estado de menor para outro de maior energia. Quando um gás é atingido por um fluxo contínuo de radiação, certos comprimentos de onda são absorvidos por átomos do gás. Esse fenômeno pode ser observado através da irradiação de um espectro contínuo sobre um gás. O espectro de saída neste processo apresenta linhas escuras, chamadas espectros de linha, que se referem aos comprimentos de onda absorvidos (TIPLER, 1999). Um fóton é o menor componente da radiação solar. O coeficiente de absorção e espalhamento está relacionado com dois fatores: os diferentes comprimentos de onda dos espectros da radiação solar e o tipo de gases atmosféricos presentes em determinado lugar. Assim, o processo de absorção é diferente em cada gás atmosférico, ou seja, cada gás é capaz de absorver apenas alguns comprimentos de onda específicos. Os fótons com comprimentos que não podem ser absorvidos mudam de direção ao se chocar com o átomo no processo chamado de espalhamento (TIPLER, 1999).

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Os componentes atmosféricos refletem cerca de 30% da radiação solar e o restante é absorvido. Os principais gases atmosféricos responsáveis pela absorção da radiação solar são o vapor de água, o dióxido de carbono e o ozônio. A energia absorvida por estes gases e outros componentes atmosféricos é emitida novamente na faixa de infravermelho. Esta radiação absorvida pode gerar aquecimento e causar a evaporação da água na forma de calor latente ou convecção atmosférica (ventos) na forma de calor sensível (MARTINS et al, 2004). A Figura 4 mostra como a radiação solar interage com a atmosfera terrestre. Esta figura é uma simplificação que representa apenas os valores médios globais dos diferentes processos.

R ad iaçã o a sfer mo At gases

de da ma Ca

Absorção (direta)

Reflexão

Absorção (difusa)

Radiação solar absorvida pela superfície da Terra.

Radiação solar refletida pela Terra de volta ao espaço.

51% Superfície

6% Refletida pela Atmosfera 20% Refletida pelas Nuvens 4% Refletida pela Superfície

Radiação Infravermelha (calor) refletida pela superfície da terra e absorvida pelos gases de estufa que envolvem o planeta. 19 % Atmosfera, Nuvens

Figura 4 – Processos de interação entre a radiação solar e a atmosfera terrestre 6

O máximo de radiação que consegue alcançar a superfície terrestre é de 67% nas condições de um dia de verão, na superfície do mar ou sem nuvens (GATES, 1965). As nuvens, a vegetação e a água também reduzem fortemente a radiação solar que passa pela atmosfera. Além disso, esses fatores são capazes de alterar a distribuição e a disponibilidade da radiação na superfície da Terra. Outra grandeza importante no estudo da radiação solar é a Transmitância, que é a razão entre a irradiância solar na superfície da Terra e no topo da atmosfera (MARTINS et al, 2004).

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Transmitância atmosférica =

Radiância solar na superfície terrestre Radiância solar no topo da atmosfera

Esses fenômenos causam diferenças de potencial solar em decorrência da região do globo e do terreno analisados. Os terrenos montanhosos também recebem a energia solar de forma desigual, uma vez que as vertentes orientadas para o norte recebem mais radiação no hemisfério sul e menos radiação no hemisfério norte. Da energia solar que chega à superfície terrestre em dias sem nuvens, aproximadamente 10% é radiação ultravioleta, 45% radiação visível e 45% radiação infravermelha (ODUM, 1983).

Para que seja possível a utilização da energia solar é importante compreender as seguintes propriedades da matéria:  Massa termal ou capacidade de estocagem de calor: refere-se à capacidade que cada substância possui de armazenar calor. Existem substâncias que são capazes de armazená-lo de forma eficiente, enquanto outras não são eficientes,pois perdem calor rapidamente.  Condutividade: habilidade da matéria para transferir o calor de um material para outro por contato. Existem substâncias que apresentam facilidade na transmissão de calor enquanto outras não têm essa capacidade. Essas duas propriedades são fundamentais em sistemas para utilização da energia solar. Inicialmente, são necessários materiais com grande capacidade de estocagem de calor e com alta capacidade de transferência do calor entre materiais. Os materiais com maior capacidade de estocagem de calor são a água, o ferro e o concreto. Os materiais com maior capacidade de transferência de calor são o cobre e o alumínio.

Radiação solar em nível do solo A radiação solar pode ser medida através de diferentes aparelhos, um deles é denominado pireliômetro ou solarímetro. Esses equipamentos utilizam uma junção de dois metais que gera uma corrente proporcional à incidência de energia luminosa através de uma termopilha.

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Figura 5 – Bancada de medição de radiação solar na Universidade Federal de Santa Catarina, Brasil 7

Outro tipo de instrumento utilizado são os radiômetros, que servem para medir a radiação total na superfície terrestre (ODUM, 1983). Além disso, também são usadas em estudos de radiação as aproximações do espectro solar de corpos negros (MARTINS, et al, 2004). Aparelhos denominados piranômetros (Figura 6) medem a radiação global por meio de uma termopilha que avalia a diferença de temperatura entre duas superfícies iluminadas. A dilatação das superfícies provoca um diferencial de potencial que pode demonstrar os valores relacionados à radiação solar. Existem ainda os pireliômetros, que medem a radiação direta (Figura 7); e pireliômetros, que medem a radiação difusa (Figura 8). Esses instrumentos seguem o movimento solar e se ajustam constantemente ao longo do dia. O actinógrafo é outro instrumento usado para medir a radiação solar: é composto de sensores que avaliam a expansão de um par bimetálico e seus resultados apresentam precisão entre 15 a 20%.

Figura 6 – Piranômetro de Radiação Global 8

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Figura 7 – Piranômetro de Radiação Direta 9

Figura 8 – Piranômetro de Radiação Difusa 10

Por fim, existem ainda os heliógrafos (Figura 9), que são instrumentos que medem a insolação. Esses equipamentos avaliam o tempo de céu descoberto no local onde está instalado. É composto por uma esfera de vidro maciço e transparente que serve como lente convergente da radiação solar. A radiação converge sobre uma tira de cartão (heliograma), que é queimado enquanto o céu permanece sem nuvens. O heliograma é fixado em uma concha metálica que contém uma escala, a qual permite ajustar o aparelho à latitude da estação.

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Para avaliar o potencial solar brasileiro foi utilizado um solarímetro e as informações foram disponibilizadas por Tiba et al (2000). Esse material apresenta séries históricas sobre a insolação, irradiância global, direta e difusa em diferentes pontos do Brasil. Além disso, apresenta as isolinhas de insolação e irradiância global no país. Essa última informação é especialmente relevante para o planejamento regional do setor elétrico Figura 9 – Heliógrafo 11 porque permite aplicar os mesmo princípios metodológicos em diferentes áreas. A Figura 10 apresenta um mapa com a média anual da irradiação global no território brasileiro.

Figura 10 – Irradiação global média no território brasileiro 12

Recentemente, o uso de informações de satélites também vem sendo aproveitado nos estudos sobre o potencial de energia solar. No entanto, é importante destacar que os resultados dos satélites apresentam diferenças significativas em relação aos estudos sobre a superfície terrestre. Os satélites não sofrem a influência de processos atmosféricos e, portanto, são capazes de medir apenas a irradiância no topo da atmosfera. Apesar disso, o uso dessa tecnologia pode auxiliar na superação dos problemas enfrentados pelos radiômetros tradicionais. As principais unidades de medida utilizadas para energia são gcal/cm2 e kcal/m2. Essas unidades não devem ser confundidas com unidades de iluminação que se referem apenas ao espectro visível como o pé-vela e o lux.

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6. O aproveitamento da energia solar

xistem várias formas de aproveitar a radiação solar e os métodos de aproveitamento podem ser classificados por diferentes modos. Uma classificação denomina os métodos de diretos ou indiretos: » » o método direto implica em uma conversão da energia solar para uma forma de energia aplicável, Por exemplo: quando a energia solar atinge uma superfície escura e então é convertida em calor, esse calor pode ser usado para aquecer a água; » » o método indireto implica em mais de uma conversão energética para tornar a energia utilizável. Por exemplo: a energia solar atinge um módulo fotovoltaico e é convertida em energia elétrica - essa forma de energia é, então, convertida em energia mecânica capaz de mover cortinas de acordo com a disponibilidade de radiação solar.

Outra classificação denomina os métodos de utilização de energia solar em passivos e ativos: » » o método passivo é aquele no qual não há necessidade de dispositivos elétricos, mecânicos ou químicos para que seja possível utilizar a radiação solar, como, por exemplo, os sistemas de aquecimento solar em regiões tropicais que são capazes de aquecer a água sem a necessidade de dispositivos; » » o método ativo utiliza equipamentos elétricos, mecânicos ou químicos para aumentar a coleta da radiação solar. Em regiões temperadas, por exemplo, os sistemas de aquecimento solar necessitam de adição de substâncias anticongelantes para que possam aquecer a água mesmo em temperaturas médias ou baixas. As diferentes tecnologias permitem ainda muitos outros usos da energia solar, como: » » cozinhar ao sol em fornos do tipo caixa; » » funcionamento de equipamentos diversos;

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» » obtenção e dessalinização de água; » » retirada de contaminantes químicos da água; e » » irrigação em culturas agrícolas diversas. Aproveitamento solar

Atualmente, a maior parte dos aproveitamentos solares é utilizada para o aquecimento de água (energia solar termal) e para geração de energia elétrica (energia solar fototermal e fotovoltaica).

A energia solar termal é amplamente utilizada para o aquecimento de água em moradias, hotéis, piscinas, hospitais, centros poliesportivos e indústrias. Esses sistemas permitem o aproveitamento da radiação solar na forma de calor, por isso, são utilizadas em áreas que já dispõem de abastecimento centralizado de eletricidade visando à redução de custos com esse serviço. Além disso, a utilização da energia solar termal diminui a pressão sobre os sistemas centralizados de eletricidade que necessitam de constantes ampliações (o que gera novos impactos ambientais). Por outro lado, a utilização da radiação solar para geração de eletricidade é obtida através das tecnologias fototermal e fotovoltaica, que utilizam o calor solar e o efeito fotovoltaico para converter a radiação solar em eletricidade. Esse tipo de aproveitamento amplia as possibilidades de utilização da energia solar para diversos fins como iluminação, funcionamento de máquinas e equipamentos etc. Os sistemas de geração de energia elétrica fototermais utilizam o calor coletado e concentrado para operar um sistema de geração de eletricidade convencional. Equipamentwos concentradores da radiação solar permitem aquecer fluidos que abastecem geradores elétricos. Geralmente, esse método de geração de eletricidade é utilizado em usinas solares centralizadas e integradas à rede pública. Os sistemas fotovoltaicos utilizam células, módulos e arranjos em que o efeito fotovoltaico gera eletricidade diretamente. Os equipamentos fotovoltaicos oferecem diversas vantagens porque são imóveis, silenciosos e não apresentam depleção de materiais. Em geral, os sistemas solares são singelos e não apresentam peças mecânicas móveis, o que exige pouca manutenção, reduz os prazos de instalação e gera confiabilidade em seus equipamentos. Seus desenhos podem ser muito variados porque sistemas solares são, na maioria das vezes, modulares, permitindo adequações de produção desde mW até MW (medidas de grandezas utilizadas para medir a potência).

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Outros aproveitamentos da radiação solar também estão sendo pesquisados e desenvolvidos. Um exemplo disso é o estudo sobre a utilização da energia solar para automóveis. Empresas promovem eventos com veículos movidos à energia solar, visando a estimular o desenvolvimento de tecnologias adequadas e sua disseminação. Algumas competições existem há mais de 20 anos. Veja um exemplo na notícia a seguir. Carros movidos à energia solar disputam competição na Austrália Foi dada a larga no último domingo (21/10) para o Panasonic World Solar Challenge, desafio bianual de carros movidos à energia solar, que acontece na Austrália. As equipes participantes devem pesquisar, desenhar e construir veículos capazes de atravessar uma jornada de 3 mil quilômetros da área tropical de Darwin, no Norte, à cosmopolita cidade de Adelaide, no Sul da Austrália. Desde 1987, o desafio se propõe a promover a excelência técnica e ao mesmo tempo atrair atenção para a importância de meios de transportes sustentáveis. Ao longo dos 20 anos da competição, a velocidade média dos carros solares subiu de 67 km/h, recorde do vencedor da prova em 1987, para 103 km/h, média do vencedor da última prova, com o máximo de velocidade atingida em 147 km/h.

Figura 11 – Carro solar 13

Outros grupos de pesquisadores e empresas se dedicam ao desenvolvimento de métodos de utilização da energia solar como fonte energética de aviões. Atualmente as atividades estão voltadas para a capacidade dos aviões em voar tanto durante o dia quanto durante a noite. A Figura 12 a seguir mostra um avião movido à energia solar.

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Figura 12 – Avião movido à energia solar 14

Outra aplicação da energia solar é a dessalinização da água através da aplicação da tecnologia solar termal, como é feito, por exemplo, em Almeria (Portugal). Além disso, a energia solar também pode ser aproveitada para produção de hidrogênio. Atualmente, a maior parte do hidrogênio utilizado é obtido a partir da queima de gás natural, mas em 2007, o projeto europeu Hydrosol elaborou um reator - situado na Grécia - capaz de produzir hidrogênio a partir da água, utilizando como fonte de energia a radiação solar. A eficiência desse reator chega a 70% (INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2007).

Projeto Hydrosol O projeto europeu Hydrosol, coordenado pelo Dr. Anthanasios Konstandopoulos, tem como objetivo exatamente produzir hidrogênio exclusivamente a partir de fontes renováveis.

O reator solar, criado pelos pesquisadores do projeto, consiste em um corpo de cerâmica porosa, cujos canais são revestidos por um catalisador especial nanoparticulado. Um conjunto de espelhos concentra a luz do sol, fazendo a água se transformar em vapor, que é forçado a passar pelos microcanais da cerâmica. Aí, o catalisador efetua a quebra das moléculas de água.

A seguir serão apresentados os tipos de aproveitamento de energia solar mais utilizados: a energia solar termal e a energia solar fototermal e fotovoltaica.

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7. Energia termossolar A energia solar termal é uma fonte de energia renovável muito utilizada em moradias e atividades econômicas diversas. Com sua utilização é possível economizar energia produzida a partir de fontes fósseis. Esse tipo de aproveitamento também é chamado de energia fototérmica. Quando a energia solar entra em contato com a matéria na superfície da Terra, podem ocorrer três fenômenos distintos: » » a energia pode ser refletida; » » a energia pode ser transmitida; » » a energia pode ser absorvida pela matéria e transformada em calor. Esses princípios básicos são fundamentais para a utilização da radiação solar como fonte de energia. Nesta seção vamos esboçar aspectos técnicos de sistemas solares coletores, de estocagem e de acumulação de energia por meio da tecnologia termal. Para utilização da energia solar termal é fundamental o desenvolvimento de métodos de captação da radiação solar e seu posterior armazenamento ou estocagem. Inicialmente é necessário conhecer a quantidade de radiação solar que cada substância ou corpo é capaz de absorver. Através da utilização de substâncias com grande capacidade de absorção de radiação, é possível captar a energia solar para que seja utilizada no sistema termal. Para tanto, são utilizados equipamentos específicos denominados coletores solares. A Figura 13 apresenta um tipo de coletor solar:

Figura 13 – Coletor solar termal15

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A maior parte dos coletores solares capta a energia solar através do aquecimento de fluidos. Os fluidos utilizados para captar a radiação solar convertida em calor podem ser líquidos ou gasosos e os coletores solares podem ser planos ou concentradores. Os coletores planos são os mais utilizados e são semelhantes àquele apresentado na Figura 13. Já os coletores concentradores são assim denominados porque contam com a presença de dispositivos concentradores da radiação solar. Uma vez convertida a radiação solar em calor, os sistemas coletores a capturam e aquecem o fluido específico, que depois precisará ser estocado ou armazenado em reservatórios. Os reservatórios de estocagem devem ser termicamente isolados para que sejam capazes de manter o fluido aquecido até sua utilização final, como o aquecimento da água da moradia, por exemplo. O reservatório é acondicionado no interior da edificação. Uma vez captada e estocada, a energia solar termal pode ser utilizada imediatamente ou acumulada para uso futuro. Quando essa fonte de energia é utilizada imediatamente, pode-se dispensar diversos equipamentos e tornar o seu custo de implantação ainda menor. No entanto, nessa situação os sistemas termais apresentam limitações quanto ao seu uso noturno ou em baixas temperaturas. Quanto melhores os equipamentos de estocagem, mais tempo será possível dispor do aquecimento solar termal. Assim, os sistemas solares termais demandam a existência de equipamentos de coleta, estocagem e acumulação da radiação solar convertida em calor. Em regiões tropicais, esses sistemas podem ser muito simples e apresentar grande eficiência, mas nas regiões mais frias (onde sua utilização é ainda mais interessante) esses sistemas precisam de novos componentes, tais como fluidos anticongelantes e válvulas de descarga para melhorar seu desempenho.

Aquecimento solar O aquecimento solar é utilizado, principalmente, para esquentar a água ou o ar. Sistemas solares termais são instalados em habitações como sistemas complementares e são aplicados no aquecimento da água para residências ou piscinas. Tais sistemas são utilizados também na secagem de grãos provenientes da produção agrícola, além do uso para geração de energia elétrica em usinas solares que utilizam os mesmos princípios das termelétricas: o calor é utilizado para aquecer a água e o vapor d’água faz mover uma turbina que gera eletricidade. Os sistemas solares termais apresentam os menores custos de implantação e geram menos impactos ambientais negativos do que as outras tecnologias de aproveitamento solar porque são mais simples e demandam menos matérias-primas não renováveis.

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Descrição e design das instalações termais solares Esta seção busca caracterizar os métodos típicos de aquecimento de água doméstico que utilizam o sol como fonte. Os tipos de sistemas solares discutidos são: i) sistemas de bombeamento direto; ii) sistemas de bombeamento indireto; iii) sistemas de drenagem reversa; iv) sistema de estocagem integral (ICS); e v) sistema termossifão.

I. Sistemas de bombeamento direto O sistema de bombeamento direto, ilustrado na Figura 14, apresenta um ou mais coletores solares instalados no telhado associado a um tanque de estocagem localizado em algum lugar abaixo (geralmente na garagem ou próximo à caixa d’água). A bomba faz a água circular do tanque para o coletor e depois voltar ao tanque novamente. Esse sistema é chamado de “direto” ou de “circulação aberta” porque o calor do sol é transferido diretamente para a água potável, circulando entre o encanamento do coletor e o tanque de estocagem. Nesses sistemas, nenhum outro produto ou equipamento é utilizado (FSEC, 2011). Disjuntor de vácuo

Abertura de ventilação

Sensor Coletor

Válvula de alivio de pressão

Coletor Válvula de prevenção de resfriamento

Válvula de alívio P/T

Água fria interna Válvula de bloqueio

Água quente Externa

Dreno

Válvula de esfera

Dreno

Bomba de circulação Dreno

Válvula de retenção

Elemento

Controlador

Tanque Sensor do tanque

Figura 14 – Sistema de bombeamento direto 16

Válvula de esfera

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O sistema de bombeamento direto tem um controlador diferencial que percebe diferenças de temperatura entre a água que deixa o coletor solar e a água mais fria no tanque de estocagem. Quando a água do coletor está 6º C mais quente do que a água do tanque, o bombeamento é acionado. Quando a diferença de temperatura entre coletor e tanque diminui para 2º C, o bombeamento é desligado. Assim, a água sempre recebe calor do coletor quando o bombeamento é acionado (FSEC, 2011). Uma válvula de proteção instalada próximo ao coletor permite evitar resfriamento. direção ao coletor. O coletor pode ainda ser drenado manualmente pelo fechamento de válvulas de isolamento, localizadas sobre o tanque de estocagem e a abertura das válvulas de drenagem. Outra forma de proteção contra o resfriamento é o sistema de recirculação automática, ou seja, quando a água do coletor alcança uma temperatura mais fria (predeterminada), o controlador liga o bombeamento por alguns minutos para aquecer o coletor com a água do tanque (FSEC, 2011). Assim, o sistema de bombeamento direto é adequado para regiões com climas tropicais.

II. Sistemas de bombeamento indireto O sistema de bombeamento indireto é adequado para regiões com climas temperados, e funciona da seguinte forma: uma solução anticongelamento é colocada no sistema para circular através do coletor e um transferidor de calor passa esse calor da solução anticongelante para o tanque de água. A solução usada nesse tipo de sistema é uma mistura de água destilada e anticongelante, como as utilizadas capaz de proteger o sistema de danos causados pelo frio intenso. trocador com proteção dupla. Geralmente, o trocador de calor deve ser instalado na metade inferior do tanque de estocagem (FSEC, 2011). A Figura 15 apresenta um exemplo do sistema de bombeamento indireto.

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Abertura de ventilação

Sensor Coletor

Válvula de alivio de pressão

Coletor

Válvula de alívio P/T

Água fria interna

Manômetro

Válvula de bloqueio Água quente Externa

Elemento

Controlador

Permutador de calor Válvula de retenção

Dreno

Eliminador de ar

Bomba

Abastecimento / montagem de drenagem

Tanque

Tanque de expansão

Figura 15 – Sistema de bombeamento indireto 17

No sistema ilustrado na Figura 15, a solução transferidora de calor é bombeada através do coletor num fluxo circular fechado. Esse fluxo circular inclui o coletor, o tubo conector, a bomba, um tanque de expansão e o trocador de calor. Um trocador de calor na metade inferior do tanque de estocagem transfere o calor da solução para a água potável no tanque de estocagem solar (FSEC, 2011). Um design alternativo para esse tipo de sistema de bombeamento indireto é recobrir o tanque com o trocador de calor, o que evita que a solução tóxica entre em contato com a água potável. O cerne do sistema é o controlador diferencial que, associado à sensores de temperatura no coletor e no tanque, determina quando o bombeamento deve ser ativado para direcionar o fluido transferidor de calor através do coletor (FSEC, 2011).

III. Sistemas de drenagem reversa O sistema de drenagem reversa também é adequado para regiões com climas frios, onde o congelamento do equipamento é uma grande preocupação. A remoção da água de coletores e tubos é um método seguro de evitar o congelamento. O sistema de drenagem reversa tem como principal característica a possibilidade de drenagem do sistema (Figura 16).

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Válvula de alivio de pressão

Coletor

(Fiação de controle omitida) Válvula de alívio P/T

Dreno

Válvula de bloqueio

Visor de vidro

Bomba

Água quente Externa

Água fria interna Envoltório Permutador de calor

Dreno Dreno

Figura 16 – Sistema de drenagem reversa 18

Nesse sistema, a água nos coletores e nos tubos expostos drenam para dentro do tanque/reservatório cada vez que o sistema de bombeamento é desligado. Uma cobertura leve dos coletores é necessária para a drenagem completa. Um vidro transparente é instalado no tanque de drenagem reversa para que seja possível verificar quando ele está cheio, e, consequentemente, se o coletor foi drenado (FSEC, 2011). Nesse tipo de sistema, recomenda-se o uso de água destilada como solução transferidora de calor no coletor. O uso de água destilada aumenta as características de transferência de calor que previne uma mineralização da solução transferidora. Quando a temperatura externa aumenta novamente, o bombeamento é acionado por um controlador diferencial. A água é bombeada do tanque de drenagem para os coletores, permitindo a coleta de calor. A água estocada no reservatório de drenagem circula numa volta fechada através dos coletores, do transferidor de calor e do tanque de estocagem solar. O calor é levado dessa volta fechada para a água potável através do transferidor (FSEC, 2011).

IV. Sistema de estocagem integral (ICS) No sistema de estocagem integral, ilustrado na Figura 17, o sistema de estocagem de água quente é o próprio coletor. A água fria flui do coletor onde é aquecida pelo sol. A água quente é levada do alto do sistema, que é mais quente, para as partes mais baixas. Assim, a água fria da casa flui para o coletor, e lá a água aquecida flui para um tanque auxiliar de água quente dentro da casa. Esse é um sistema simplificado porque as bombas e os controladores não são necessários.

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Válvula de prevenção de resfriamento

Do coletor

Para o coletor Válvula de drenagem

Válvula de drenagem Válvula de bloqueio

Válvula de retenção

Válvula de alívio de pressão

Água fria interna

Válvula de Isolamento Válvula de esfera

Válvula de alívio P/T

Água quente Externa Banco do aquecedor de água

Válvula de alívio P/T Elemento Superior Elemento Inferior

Tubo de imersão Dreno

Figura 17 – Sistema de estocagem integral 19

Em regiões frias, uma válvula de proteção contra o resfriamento do tipo “descarga” é instalada no alto. Em temperaturas próximas ao congelamento, essa válvula se abre e permite que a água razoavelmente aquecida circule pelo coletor para prevenir o congelamento.

V. Sistema termossifão A Figura 18 mostra um sistema de termossifão típico. Quando o sol atinge o coletor, a água dentro dele e do encanamento é aquecida. Enquanto isso ocorre, a água se expande e fica mais leve do que a água fria que está localizada no tanque

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de estocagem solar montado sobre o coletor. A gravidade empurra a água fria para baixo no tanque, que por sua vez empurra a água aquecida do tanque para dentro do coletor, além de aquecer a água do tanque. Abertura de ventilação

Válvula de prevenção de resfriamento Válvula de retenção

Tanque

Válvula de prevenção de resfriamento

Coletor

Dreno

Válvula de drenagem

Válvula de retenção

Válvula de esfera

Válvula de bloqueio Água fria interna

Água quente Externa

Válvula de alívio P/T

Válvula de desvio

Elemento

Dreno

Tanque

Figura 18 – Sistema termossifão 20

O sistema de termossifão também não requer bombas ou controladores. A água fria (proveniente do sistema de abastecimento preexistente na residência) flui diretamente para o tanque de estocagem próximo ao telhado. A água aquecida pela energia solar flui do tanque do telhado para um tanque auxiliar no nível do chão cada vez que a água é utilizada na residência. Em regiões frias esses sistemas podem ser acrescidos de válvulas termicamente operadas para proteção do coletor contra congelamento. Também podem ser incluídas válvulas de isolamento que permitem que o sistema solar seja drenado manualmente em caso de congelamento.

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FSEC A Universidade da Flórida possui o Centro Flórida de Energia Solar (FSEC). Nesse centro, pesquisadores testam e certificam sistemas solares termais e os resultados são utilizados para fomentar o uso individual de sistemas solares. O site do FSEC (disponível em: <http:// www.fsec.ucf.edu/en/consumer/solar_hot_water>) apresenta muitas informações interessantes e publicações gratuitas sobre o aquecimento solar de água.

Os sistemas descritos acima que requerem o uso de bombas e controladores apresentam seu uso restrito a regiões que já dispõem de fornecimento público de água e energia elétrica, e por isso são considerados sistemas complementares. Esse é o caso do sistema de bombeamento direto, do sistema de bombeamento indireto e do de drenagem reversa. Já o de estocagem integral e o sistema de termossifão podem ser aplicados em regiões onde não existe nenhum tipo de abastecimento de energia elétrica e em regiões tropicais que não necessitam de proteção contra o congelamento. Os sistemas solares termais podem ser construídos em qualquer tamanho utilizando diferentes modelos e métodos. O FSEC disponibiliza uma ferramenta livre na internet que permite obter informações sobre energia, custos e potencial ecológico de sistemas solares de aquecimento de água para consumidores individuais. Essa ferramenta é chamada de Calculador Simplificado para Sistemas Solares de Aquecimento de Água para Residências (Simplified Residential Solar Hot Water System Calculator, disponível em <http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/solar_ hot_water/homes/calculator/index.htm>). Para usá-lo é necessário responder a algumas questões nos campos “Informações Básicas sobre o Sistema Solar” usando menus preestabelecidos. Uma limitação dessa ferramenta é que seu modelo de cálculo refere-se às condições climáticas da América do Norte apenas. De forma simplificada, seguem abaixo os principais passos necessários para a instalação de sistemas residenciais de aquecimento de água pela energia solar. Evidentemente, cada sistema tem especificações particulares. No entanto, a instalação de um sistema que usa coletores solares do tipo raso, controlador diferencial, diversos sensores, uma bomba e válvulas permite percorrer os principais passos que qualquer sistema solar necessita para ser instalado. Além do tipo de sistema, também o tipo de telhado pode alterar as necessidades de instalação. Os passos citados nesse texto referem-se a telhados cobertos com telhas. Caso o tipo de telhado seja coberto com outro material, outros métodos de montagem devem ser utilizados.

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A instalação de sistemas solares para o aquecimento de água requer habilidades com encanamentos, trabalhos em áreas altas como telhados e montagem de sistemas elétricos. Estas atividades causam riscos à saúde e só devem ser realizadas por profissionais capacitados - e estes devem utilizar equipamentos de proteção individual (EPI). Os passos descritos aqui foram apresentados pelo Centro Flórida de Energia Solar (FSEC) com o apoio da All Solar Power (Tampa, Flórida, Estados Unidos); All Solar Systems (Hallandale, Flórida, Estados Unidos); Richard Lavigne e Dave Eddington (FSEC, 2011). O primeiro passo para o estabelecimento de um sistema solar de aquecimento de água é a Montagem do Coletor. Antes de iniciar a instalação do sistema solar termal, o telhado deve ser verificado para garantir que existam condições de instalação do coletor solar. Tal verificação inclui a observação das telhas (se elas estão em condições satisfatórias e se a armação do telhado está estruturalmente adequada para suportar o coletor). A maior parte dos telhados não apresenta problemas para a instalação de coletores solares, mas a verificação, ainda assim, é importante. O instalador deve verificar a melhor posição para que o coletor receba, pelo menos, 6 horas de insolação diárias. O momento ideal de coleta da radiação solar são 3 horas antes e 3 horas depois do meio-dia. É recomendável que os coletores sejam instalados voltados para o norte (nos países do hemisfério sul) e para o sul (nos países do hemisfério norte) devido à inclinação natural dos raios solares no planeta. As ripas do telhado devem ser localizadas, já que nelas serão afixadas as braçadeiras. Para localização das ripas há duas maneiras: pode ser feita uma observação a partir da firmeza do telhado ou identificá-las dentro da casa. Em geral, os coletores solares apresentam clipes que serão conectados às braçadeiras. O instalador terá que levantar as telhas cuidadosamente e aplicar um selador abaixo da braçadeira para instalá-la sob a telha levantada. A localização das braçadeiras e dos clipes no telhado é muito importante para a boa fixação do coletor solar e também para a boa distribuição do peso dele. Uma vez fixadas as braçadeiras e clipes, o coletor solar é instalado no telhado. Os coletores pesam mais de 40kg, geralmente. Na maior parte dos casos, quatro conjuntos de braçadeiras e clipes são suficientes para fixação do coletor. Caso o coletor precise ser instalado em outro ângulo para poder aproveitar melhor a radiação solar, torna-se necessário instalar suportes para garantir sua fixação ao telhado. É importante ainda destacar a necessidade de manter um espaço entre o coletor e o telhado para permitir a passagem de folhas e outros materiais e evitar a obstrução.

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Depois de montar o coletor, devem ser estabelecidos os Tubos/Encanamentos. Essa etapa compreende a conexão entre coletor e tanque de estocagem e a conexão de retorno entre tanque e coletor. Muitos consumidores apresentam preocupações sobre a possibilidade de o coletor e os encanamentos ocasionarem danos no telhado. Essa possibilidade existe quando os furos e o seu selamento não são feitos corretamente. Para que isso não aconteça, o instalador deve identificar e marcar a localização dos furos necessários para instalar os tubos no telhado. O tamanho dos furos deve ser equivalente ao tamanho dos tubos que serão utilizados. Devem ser feitos dois furos: um para a linha de alimentação do coletor e outro para a linha de retorno. O furo passa pela telha e pelo forro (quando existe) e deve ser feito com uma broca para madeira, sob o coletor, para permitir que o coletor seja drenado para manutenção ou outros serviços. O furo deve estar localizado no meio da telha, aí então é aplicado um selante e instalado o encanamento. Uma peça vedante para proteção contra chuva é colocada no furo central da telha deixando o encanamento embutido. Em seguida, o encanamento que conecta o coletor solar ao tanque de estocagem de água deve ser instalado no interior da casa. O cobre é a matéria-prima mais comum para esses encanamentos. Para evitar perdas de calor, o encanamento pode ser isolado, devendo encontrar o telhado perpendicularmente. É importante que o encanamento permita a drenagem do sistema, se necessário. A linha de retorno vai conter válvulas conforme o desenho do sistema escolhido (válvula de descarga, válvula de anticongelamento e válvula de ventilação). Após a montagem, o encanamento é soldado. Por fim, ele deve ser pintado para maior ciclo de vida. Após a instalação do encanamento, inicia-se a montagem do tanque de estocagem, que acondiciona o calor convertido a partir da radiação solar e funciona como aquecedor de água ou de ar - é nesse tanque que a água aquecida pelo sol é estocada. A instalação do tanque de estocagem de água quente inclui a conexão com o encanamento de alimentação e retorno e diferentes válvulas. O tanque de estocagem também deve ter isolamento, visando a evitar perdas de calor. Muitos tanques de estocagem apresentam algum tipo de equipamento elétrico de manutenção da temperatura da água. Neste tipo de sistema, um termostato é adicionado, o qual aciona um dispositivo que permite que a água do tanque seja aquecida por eletricidade quando o sol não está produzindo água quente. Em sistemas solares termais conectados à rede elétrica, bombas elétricas e controles diferenciais podem ser adicionados ao sistema. São estabelecidos dois sensores, um no fundo do tanque de estocagem, que é a parte mais fria do sistema; outro no encanamento de alimentação do coletor solar, parte mais quente. Quando os sensores registram uma diferença de temperatura grande o suficiente, em geral maior do que 6º C, o controlador diferencial aciona uma bomba. Quando

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a diferença de temperatura cai para menos de 2º C, a bomba é desligada. Os controladores diferenciais são instalados próximo ao tanque de estocagem. Hoje controladores com visores digitais e de LED existem no mercado e apresentam diferentes configurações, mas a maior parte possibilita a configuração “ligado” ou “desligado”, além de indicar a diferença de temperatura (que aciona a bomba). A utilização de sensores e controladores implica na instalação de fiação elétrica, que, inclusive, deve ser protegida de contato e das condições ambientais do telhado. Os sensores são fixados no tubo de alimentação do coletor e no tanque de estocagem utilizando uma cola térmica. Outro componente de um sistema solar é a bomba ou o circulador, cuja função é fazer circular o fluido entre o coletor e o tanque de estocagem. Ao redor da bomba são instalados diversos componentes, como válvula de checagem, válvulas de drenagem e válvulas de isolamento. Após a instalação de todos os componentes, o sistema deve ser pressurizado para verificar se não existem vazamentos ou outros prejuízos que possam comprometer seu funcionamento ou eficiência. Todos os componentes devem ter isolamento, tanto os internos quanto os externos. O isolamento previne a perda de calor e a deterioração ambiental dos equipamentos e a espessura do isolamento depende das condições climáticas da área de utilização do sistema solar termal. O isolamento de borracha se deteriora com facilidade nas áreas externas à edificação, por isso capas de látex podem ser aplicadas sobre o isolamento para aumentar sua durabilidade.

Conversão da energia termossolar em eletricidade Os princípios físicos para conversão da radiação solar em eletricidade são conhecidos há mais de um século. Em 1860 foi produzido o primeiro motor utilizando radiação solar para gerar eletricidade. Em 1900 tais motores passaram a ser comercializados, e em 1912 foi construído o primeiro concentrador solar no Egito com capacidade de gerar 45kW. A partir desses esforços iniciais foram desenvolvidas novas tecnologias para o aproveitamento da radiação solar para gerar eletricidade. Com a crise do petróleo na década de 1970, houve incentivos políticos e econômicos para o desenvolvimento de usinas solares. Na década de 1980, empresas começaram a produzir concentradores solares em série e foram estabelecidas as primeiras usinas solares nos Estados Unidos. Essas usinas produziam inicialmente 14 MW, depois passaram a 30 MW e atingiram 80MW. Hoje tais usinas produzem 354MW.

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Em muitas regiões do mundo, 1 km2 de terra é capaz de gerar mais de 100 gigawatt horas (GWh) de eletricidade por ano usando tecnologia termal. Esse valor é equivalente à produção anual de usinas termelétricas com capacidade instalada de 50MW, porém, para a produção de eletricidade termal apenas a radiação solar direta ou irradiação direta normal (IDN) pode ser utilizada. A radiação solar direta é aquela que não é desviada por nuvens, fumaça ou poeira na atmosfera. Assim sendo, essa radiação atinge a superfície em raios paralelos que podem ser concentrados. e sua utilização é mais promissora em regiões com altos índices de radiação direta. A geração de energia elétrica a partir do aquecimento solar pode ser amplamente utilizada em regiões com alta radiação solar direta. As áreas mais promissoras são a América Central e do Sul, Austrália, China, planícies da Índia, Paquistão, Oriente Médio, países europeus mediterrâneos, norte e sul da África e sudoeste da América do Norte. Essas regiões apresentam condições específicas, tais como ausência de vegetação que promovem excesso de umidade na atmosfera como estepes, savanas, desertos e semidesertos.

Descrição e design das instalações As instalações ou plantas solares (Concentrating Solar Power – CSP) funcionam da mesma forma que as usinas térmicas convencionais (carvão, gás ou óleo diesel). A grande diferença está na utilização da radiação solar concentrada que aquece algum meio (líquido ou gasoso) a altas temperaturas para operar turbinas ou motores. Usinas solares são ideais para atender os picos de demanda energética para resfriamento durante as horas mais quentes do dia. Uma crítica relevante em relação às usinas solares para geração de energia elétrica está relacionada à sua dependência da luz diurna para produção. Para contornar esse problema, existem usinas que investem em estocagem de calor para possibilitar seu funcionamento por horas sem radiação solar direta. O calor solar coletado durante o dia pode também ser estocado em meios líquidos ou sólidos, tais como sais, cerâmica e concreto. À noite o calor pode ser extraído desses meios e continua a operar as turbinas. Sistemas de estocagem térmica são capazes de expandir o tempo de operação das usinas solares. Como exemplo, podemos citar usinas na Espanha que são desenhadas para possibilitar a estocagem de calor por até 12 horas, o que aumenta consideravelmente seu potencial de produção de eletricidade anual (GREENPEACE, 2005).

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Outra forma de contornar a dependência da luz diurna pode ser a instalação de sistemas híbridos de geração de eletricidade. As plantas de geração de energia elétrica a partir do aquecimento solar podem ser desenhadas para operar apenas com a radiação solar ou para operar de forma híbrida combinando outras fontes de energia que são utilizadas quando existe pouca radiação solar. Assim, existem usinas que operam com combinações de fonte solar e fósseis. A combinação de diferentes fontes de energia em sistemas solares híbridos pode ser uma estratégia interessante para as usinas integradas à rede pública de fornecimento de energia. Com essa combinação é possível garantir a qualidade da energia exigida pelo operador do sistema elétrico local. A instalação dos sistemas solares termais para geração de eletricidade em usinas convencionais também pode facilitar a utilização desse recurso em sistemas integrados à rede pública. Quatro elementos principais são necessários para produzir eletricidade a partir do aquecimento solar: um concentrador, um receptor, alguma forma de transporte ou estocagem e um conversor de energia. As três tecnologias para geração de energia elétrica a partir do calor são: coletores parabólicos, receptor central ou torre solar e discos coletores.

I. Coletores parabólicos Esta tecnologia usa espelhos refletores parabólicos para concentrar radiação solar nos tubos do receptor no qual um fluido transferidor termal é aquecido e usado para produzir vapor superaquecido. Essa é a tecnologia de geração termal de eletricidade mais madura, pois é utilizada desde 1980 nos Estados Unidos com distribuição integrada à rede pública e produção de 354 MW. Atualmente, diversos avanços nessa tecnologia estão possibilitando a sua utilização na Espanha, no Marrocos, na Argélia, na Itália, na Grécia, no Israel, no Egito, na Índia, no Irã, na África do Sul e no México. Apesar de seu desenvolvimento avançado, ainda existem pesquisas referentes a esse tipo de tecnologia. Desenhos estruturais avançados podem melhorar a acurácia ótica e, com isso, reduzir o peso e o custo de produção dos espelhos parabólicos. A redução de peso pode permitir o aumento no tamanho dos espelhos, o que, por sua vez, permite a economia nos sistema de encanamentos relacionados aos coletores. É possível ainda reduzir as perdas de calor nos encanamentos e, consequentemente, aumentar a viabilidade da usina. No entanto, a estratégia mais relevante para a redução de custos utilizando essa tecnologia tem relação com a produção em grande escala automatizada (GREENPEACE, 2005).

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Figura 19 – Coletor solar parabólico 21

II. Sistemas de receptores centrais ou torres solares Esta tecnologia utiliza um arranjo circular central com grandes espelhos planos orientados individualmente que concentram a luz solar no receptor localizado no topo de uma torre central. Nessa torre, o calor é transferido para a geração de eletricidade através de um meio de transferência escolhido. Usinas desse tipo existem na Espanha, com capacidade instalada entre 30 e 50MW integradas à rede pública. A média de concentração da radiação solar em sistemas de torres centralizadas condiz com a temperatura do vapor produzido (que varia entre 540°C a 1.000°C). A viabilidade técnica dos sistemas de torres solares foi comprovada na década de 1980 por meio da operação de seis plantas nos Estados Unidos com capacidades entre 1 e 10 MW conectadas à rede convencional. Vários receptores centrais e meios de transferência de calor foram analisados, incluindo água/vapor, sódio/líquido, sais e ar ambiente. Esses sistemas permitem que a energia solar seja coletada durante as horas de luz diurna para produzir eletricidade durante a noite. Nas regiões com alta insolação do planeta, esse tipo de usina solar pode atender às demandas de eletricidade para resfriamento de ambientes durante os picos quentes do ano. Em países em desenvolvimento, a capacidade de estocagem de calor pode ser ainda mais importante porque, muitas vezes, a maior demanda de eletricidade ocorre à noite. Usinas na Espanha são capazes de garantir a estocagem de calor por 12 horas, o que pode levar o funcionamento da usina em 24 horas. O sistema de receptores centrais é considerado menos comercializável do que os sistemas parabólicos. No entanto, em longo prazo acredita-se que as torres solares serão capazes de produzir eletricidade com alta eficiência e custos entre 5 e 7 centavos de dólar/kWh. Existem projetos desse tipo sendo desenvolvidos na Espanha e na África do Sul.

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Figura 20 – Torre solar 22

III. Discos coletores Os sistemas de discos coletores são unidades comparativamente menores que usam um refletor na forma de disco para concentrar a luz solar e superaquecer um fluido usado para gerar eletricidade em mecanismos pequenos no ponto focal do refletor. Seu maior potencial está relacionado à produção descentralizada para suprir áreas remotas em sistemas solares individuais. Usinas desse tipo estão sendo Figura 21 – Disco coletor 23 desenvolvidas nos Estados Unidos, na Austrália e na Europa. As expectativas futuras relacionadas aos custos de produção de eletricidade apontam valores entre 15 e 20 centavos de dólar/kWh. Discos coletores variam entre 5 e 15 metros de diâmetro, com capacidade de produção de 5 a 50kW. Assim como os outros sistemas de concentração de calor, esse tipo de sistema também pode ser associado a outras fontes de energia, como gás natural ou biogás para aumentar a produção de eletricidade diária. O sistema de discos coletores apresenta a melhor performance para produção de eletricidade devido ao seu foco óptico ideal que permite que os discos sejam capazes de concentrar grandes quantidades de radiação solar. No entanto, por razões econômicas, esse tipo de sistema fica restrito a unidades com capacidade próximas a 25 kW que utilizam arranjos com diversos discos e permitem aumentar sua capacidade. Em função do seu tamanho reduzido, pesquisadores acreditam que o futuro dessa tecnologia será o desenvolvimento de sistemas autônomos e remotos. Projetos relacionados a essa tecnologia estão sendo desenvolvidos, principalmente, nos Estados Unidos e na Europa.

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As três tecnologias apresentadas possuem vantagens e desvantagens, e são adequadas para diversas aplicações. Todas apresentam em comum a possibilidade de operar conectadas ao sistema de abastecimento elétrico convencional. No entanto, a tecnologia de discos coletores apresenta maior potencial para sistemas autônomos ou integrados a pequenos sistemas elétricos. Os sistemas de coletores parabólicos trabalham em temperaturas médias e altas. Já os sistemas com torre central atingem temperaturas mais elevadas em torno de 1.000°C. Uma das principais vantagens dos sistemas coletores parabólicos tem relação com sua viabilidade comercial que conta com mais de 12 bilhões de kWh de experiência em temperaturas acima de 400°C e comprovam sua eficiência (14%), além de seus custos de implantação e operação e sua capacidade de compor arranjos modulares. Esse sistema apresenta baixa demanda de materiais e pode ser utilizado em sistemas híbridos ou sistemas que preveem estocagem de calor. Ademais, apresenta o melhor fator de uso do solo entre as tecnologias solares. As maiores desvantagens da tecnologia de coletores parabólicos dizem respeito às moderadas temperaturas atingidas (400°C) pelos transferidores de calor. A principal vantagem dos sistemas com torres solares centrais é a sua capacidade de operar em altas temperaturas. No entanto, sua performance e os custos de implantação e operação ainda precisam de mais provas para comercialização. Já no que tange os sistemas de discos coletores, seus maiores benefício são: a alta eficiência na conversão da radiação solar em eletricidade (30%), a modularidade e a capacidade de compor sistemas híbridos. No entanto, ainda são necessários estudos para comprovar sua viabilidade.

Energia termossolar e impactos ambientais A avaliação de impactos ambientais é um processo complexo e pode ser realizada através de diversos métodos, entre eles - e um dos mais utilizados - é o que busca relacionar as ações humanas (que sempre causam impactos de diferentes tipos) e os aspectos ambientais afetados (os componentes ambientais que são atingidos pelas ações realizadas) para definir os principais impactos decorrentes de uma atividade econômica (SÁNCHEZ, 2006). É importante observar que os impactos ambientais podem ser negativos ou positivos: existem aqueles que prejudicam o ambiente (ecológico, econômico e social), como a geração de efluentes tóxicos; mas também existem impactos de atividades econômicas que favorecem o ambiente local, como a geração de empregos e a migração de jovens em busca de trabalho, por exemplo.

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Uma vez definidos os impactos ambientais, eles precisam ser avaliados, precisam de critérios preestabelecidos para definir a importância relativa de cada impacto dentro do contexto de análise. Essa hierarquização (entre mais e menos importantes ou graves) é necessária para que se possa verificar a validade da utilização de determinada tecnologia, como os sistemas solares de aquecimento de água. A verificação pode utilizar conceitos clássicos da Economia como a “utilidade marginal”, sendo que utilizando esse conceito podemos definir que um impacto ambiental pode ser aceitável quando traz um benefício muito grande, por exemplo: em regiões onde não existe abastecimento de água e a qualidade de vida da população é comprometida por isso, o impacto da implantação de sistemas de abastecimento, apesar de causar danos ao ambiente local, é aceitável em relação ao benefício que as comunidades receberão. No entanto, em locais onde o acesso à água já é possível (coleta de poços ou de nascentes, por exemplo), o impacto da implantação de tubulações de abastecimento centralizado pode ser considerado mais grave. Dessa forma, para avaliar os impactos ambientais da utilização de sistemas solares devem ser considerados: » » as ações necessárias para implantação, operação e descarte dos sistemas solares; » » os aspectos do ambiente de entorno (ecológicos, econômicos e sociais) que são afetados pela implantação, operação e descarte de sistemas solares; » » os impactos ambientais (relacionados ao ambiente natural, à economia e à sociedade) provocados pela implantação, operação e descarte dos sistemas solares, tendo em vista a utilidade marginal. Para avaliar os impactos ambientais provenientes da utilização de sistemas solares termais podemos optar por diferentes perspectivas de análise. Inicialmente, podemos definir que vamos avaliar apenas as ações relacionadas com a implantação dos sistemas domiciliares, tais como: transporte do produto da indústria até as moradias, instalação de equipamentos nos telhados e interiores das casas e aproveitamento da energia solar para o aquecimento. Podemos ainda avaliar apenas os impactos da instalação de usinas solares centralizadas, e aqui também são necessárias ações como transporte, instalação e manutenção de equipamentos. É importante ressaltar que antes de serem implantados e operados, os sistemas solares precisam ser construídos, desenvolvidos. Essas atividades demandam ações diferentes daquelas relacionadas com a implantação e operação, e dizem respeito a toda cadeia produtiva dos equipamentos necessários. Assim, as primeiras

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ações referem-se à exploração dos minerais necessários para construção dos equipamentos. O beneficiamento desses minerais é o segundo conjunto de ações, sendo que depois de beneficiados os materiais passam pelo processo de construção do equipamento. Em seguida, os equipamentos prontos precisam ser transportados das fábricas para os estabelecimentos comerciais de revenda ou para as usinas centralizadas. Uma vez vendidos, os equipamentos são instalados. Ao longo do tempo de uso, eles precisam ainda de manutenção e, ao final de sua vida útil, precisam ser descartados. Essa avaliação de impactos ambientais trata de toda a cadeia produtiva para utilização de sistemas solares termais, mas sua avaliação é superficial porque não conta com um aspecto fundamental - o recorte espacial (localização) de análise. A localização geográfica de cada conjunto de atividades necessárias para utilização de sistemas solares termais pode afetar a avaliação de importância dos impactos. De forma geral, os impactos citados podem ocorrer em qualquer tipo de ambiente, e sua importância, intensidade ou gravidade podem variar muito em cada ecossistema devido às características intrínsecas ou ao estado de conservação. As ações afetam aspectos diversos do ambiente e muitas vezes se concentram em regiões bem distantes das áreas de uso dos sistemas. A grande distância, entretanto, não significa uma redução de sua relevância para a avaliação dos impactos ambientais (quanto à utilização dos sistemas solares de aquecimento de água). As atividades relacionadas à exploração mineral, em geral, afetam a qualidade do solo, da água e do ar porque expõem esses recursos ao risco de contaminação ou por material particulado. Esses aspectos do ambiente também podem ser afetados pelo descarte inadequado dos equipamentos cuja vida útil se encerrou. Por outro lado, a implantação de sistemas solares termais pode melhorar a qualidade de vida de pessoas, afetando esse aspecto do ambiente social. A melhoria de qualidade de vida pela utilização de sistemas solares apresenta importância relativa diferente em cada contexto, assim, em comunidades que não dispõem de água aquecida ou eletricidade, a utilidade marginal da implantação dessa tecnologia é maior do que a implantação em locais que já dispõem de outras fontes de energia elétrica. Além disso, a utilização de fontes solares de geração de energia em áreas já abastecidas por outras fontes ainda apresenta vantagens pelo seu impacto ecológico reduzido. De forma geral, as principais ações relacionadas à cadeia produtiva dos sistemas solares termais são a mineração e o beneficiamento do minério, a construção, o transporte, a instalação, a manutenção e o descarte de equipamentos. Essas ações afetam, principalmente, aspectos ambientais de qualidade do solo, afetam a água, o ar, a vida e a eficiência do sistema solar. O Quadro 1 apresenta as relações entre ações, aspectos e impactos ambientais.

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Mineração Beneficiamento do minério Construção do equipamento Transporte de equipamento Instalação dos equipamentos Manutenção de equipamento Descarte dos equipamentos Quadro 1 – Relação entre ação, aspectos ambientais e impactos ambientais na utilização de sistemas solares termais 24

A. Mineração A mineração dos materiais necessários para construção de sistemas solares diz respeito, principalmente, ao ferro, ao cobre e ao alumínio. Todas as atividades mineradoras podem afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do solo, da água e do ar, e podem gerar impactos como o risco de contaminação do solo e da água, o risco de contaminação do ar com material particulado diverso, a perda de reservas de recursos não renováveis, o risco de acidentes físicos, a perda de biodiversidade e do habitat, a alteração da paisagem e a geração de empregos.

Geração de empregos

Alteração da paisagem

Perda de biodiversidade e habitat

Risco de acidentes físicos

Perda de reservas de recursos não-renováveis

Geração de gases de efeito estufa

Risco de contaminação do ar com material particulado diverso

Risco de contaminação da água

Impactos Ambientais

Risco de contaminação do solo

Ações

Eficiência do sistema solar

Qualidade de vida

Qualidade do ar

Qualidade da água

Qualidade do solo

Aspectos Ambientais

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Os metais utilizados nos sistemas solares termais não apresentam alta toxicidade. Apesar disso, lavras mal conduzidas podem contaminar o solo e a água da região de entorno. A retirada de materiais das áreas de mineração é realizada por rodovias ou ferrovias. O deslocamento de veículos de transporte pesado lança material particulado na atmosfera proveniente da queima de combustíveis fósseis e do deslocamento de sedimento pela passagem dos veículos. Tanto o transporte quanto a própria exploração dos minérios são responsáveis pela utilização de recursos não renováveis, como combustíveis fósseis, ferro e cobre. As atividades mineradoras implicam em transformações radicais na paisagem pela extração das rochas e minerais de interesse econômico (Figura 22). Além disso, são necessárias estradas, locais de assentamento de trabalhadores e diversas atividades secundárias que também implicam na modificação de paisagens naturais. Essas alterações nas paisagens naturais geralmente implicam na retirada da cobertura vegetal da área de mineração, estradas e assentamentos, o que reduz o habitat para plantas, animais, insetos, fungos e outras formas de vida, reduzindo a biodiversidade do local. Por outro lado, a atividade mineradora é fundamental para praticamente todas as atividades econômicas por apresentar alto potencial de geração de empregos. Ela é um impacto positivo de grande relevância na maior parte dos estudos, uma vez que as áreas mineradoras geralmente estão localizadas em regiões distantes dos centros urbanos, onde a oferta de trabalho é escassa. A atividade mineradora apresenta, em muitos lugares, níveis salariais maiores do que as atividades tradicionais. Essa característica se refere ao alto risco de acidentes de trabalho e doenças relacionadas à atividade mineradora.

Figura 22 – Alteração da paisagem pela mineração 25

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B. Beneficiamento de minérios O beneficiamento dos minérios necessários para a construção de sistemas solares (ferro, cobre e alumínio) pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do solo, da água e do ar. Essas atividades geram impactos como risco de contaminação do solo e da água, risco de contaminação do ar com material particulado diverso, risco de acidentes físicos, perda de biodiversidade e habitat, e geração de empregos. Os minérios são beneficiados em indústrias siderúrgicas, as quais utilizam processos que demandam grandes quantidades de energia. Nas siderúrgicas, equipamentos como fornos com altíssimas temperaturas são capazes de liquefazer os minérios metálicos. Após o derretimento, os minérios são moldados e solidificados em semiacabados, lingotes ou blocos. Em seguida, eles podem ainda ser processados por equipamentos chamados laminadores e são transformados em diferentes produtos denominados conforme sua forma e/ou composição química. Isso permite imaginar as quantidades de energia necessárias para realização dessas atividades. Por isso, tais indústrias precisam estar localizadas geograficamente de forma estratégica, próximas a fontes de energia, e sua implantação implica na retirada de cobertura vegetal da área. Sem a cobertura vegetal original ocorre perda de biodiversidade e habitat para diferentes espécies, por outro lado, a implantação de indústrias apresenta alto potencial de geração de empregos.

C. Desenvolvimento de equipamentos O desenvolvimento de equipamentos necessários para a construção de sistemas solares termais pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do ar. Indústrias produtoras desses equipamentos utilizam moldes e prensas que demandam uma fonte de energia que em geral é termelétrica ou hidrelétrica. Caso a principal fonte de energia da indústria seja termelétrica existe o risco de contaminação do ar com material particulado diverso. Da mesma forma, a utilização de fontes de energia termelétrica implica na perda de reservas de recursos não renováveis. A instalação de fábricas para desenvolvimento de sistemas solares termais também implica na retirada da vegetação original, reduzindo a biodiversidade e o habitat. Além da remoção da cobertura vegetal, atividades de terraplanagem são necessárias para instalação de indústrias desse tipo. As fábricas também apresentam alto potencial de geração de empregos.

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Por outro lado, existe a possibilidade, cada vez mais disseminada, de construção de sistemas solares termais para aquecimento de água a partir de materiais recicláveis. Quando esse tipo de material é utilizado para o desenvolvimento de sistemas solares, todos os impactos decorrentes das atividades de mineração e beneficiamento de minérios podem ser desconsiderados. Seu uso é restrito apenas ao aproveitamento e visa ao aquecimento domiciliar, uma vez que tais equipamentos não podem ser utilizados em usinas solares centralizadas.

D. Transporte de equipamentos O transporte de equipamentos necessários para construção de sistemas solares pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do ar. Essa atividade gera impactos como o risco de contaminação do ar com material particulado diverso, a geração de gases de efeito estufa, a perda de reservas de recursos não renováveis, o risco de acidentes físicos e a geração de empregos. Uma vez produzidos os equipamentos solares termais, eles precisam ser transportados (por via naval, ferroviária ou rodoviária, principalmente) para as regiões onde serão comercializados. O transporte naval apresenta os menores níveis de impacto entre as três modalidades citadas, o que ocorre porque o sistema viário é aplicado em locais onde a disponibilidade de recursos hídricos com as características adequadas já existem. Mesmo assim, o estabelecimento e a manutenção de infraestrutura como portos e canais ainda são necessários. Os sistemas ferroviários e rodoviários implicam no estabelecimento de infraestrutura em áreas extensas. A implantação de infraestrutura para esses sistemas ocasiona graves impactos ambientais associados. A utilização de sistemas viários marítimos, ferroviários ou rodoviários leva à geração de gases de efeito estufa, e, consequentemente, leva também à perda de reservas de recursos não renováveis como os combustíveis utilizados. Além disso, o uso desses combustíveis pode contaminar o ar com material particulado diverso proveniente da queima nos motores e do deslocamento de sedimentos pela passagem dos veículos. O transporte de equipamentos solares pode ainda gerar empregos diversos associados a essa atividade, mas apresenta altos riscos de acidentes físicos.

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E. Instalação dos equipamentos A instalação de equipamentos necessários para utilização de sistemas solares implica em trabalhos manuais de profissionais capacitados e pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade de vida e à eficiência do sistema solar. Um dos possíveis impactos relacionados a essa ação é o risco de acidentes físicos. Os profissionais encarregados da montagem e instalação de sistemas solares termais precisam realizar atividades utilizando equipamentos diversos, ferramentas que podem causar riscos, bem como elementos pesados (como os coletores solares, que são equipamentos pesados). A montagem e a instalação de equipamentos termais implicam em atividades relacionadas à eletricidade, aumentando o risco de acidentes físicos. O treinamento e a capacitação dos profissionais, assim como o uso de equipamentos de proteção individual podem diminuir a importância desse impacto. Por outro lado, a montagem e a instalação de equipamentos solares termais podem gerar empregos. Esse é um impacto positivo que sempre interessa às comunidades que utilizam essas tecnologias. Quando o processo de montagem e instalação dos equipamentos solares é bem conduzido existe grande chance de o sistema apresentar melhor desempenho.

F. Manutenção de equipamentos A manutenção de equipamentos necessários para a utilização de sistemas solares pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade de vida e à eficiência do sistema solar. Da mesma forma que a montagem e instalação dos equipamentos que compõem um sistema solar termal, a manutenção rotineira pode implicar em risco de acidentes físicos, mas também pode gerar empregos. A importância relativa dos impactos ambientais causados pela utilização de sistemas solares termais apresenta estreita relação com o desempenho do modelo escolhido. Modelos que apresentam boas performances com menores custos ambientais (ecológicos, econômicos e sociais) apresentam impactos ambientais menos importantes. Em contrapartida, modelos que apresentam boas performances com altos custos ambientais, sugerem impactos com maior importância. Finalmente, modelos com baixo desempenho e custos ambientais elevados apresentam impactos ambientais que devem ser desconsiderados.

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G. Descarte de equipamentos O descarte de equipamentos utilizados em sistemas solares termais pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do solo, da água, do ar, da vida. O descarte pode gerar impactos como risco de contaminação do solo e da água, risco de contaminação do ar com material particulado diverso, perda de biodiversidade e habitats, alteração da paisagem e geração de empregos. Os sistemas solares termais não empregam materiais com alta toxicidade, por isso sua deposição final no ambiente não é considerada crítica. São exceções os sistemas termais que utilizam substâncias anticongelantes que podem ser tóxicas e, nestes casos, eles devem ser depositadas em locais específicos adequados. Deve-se levar em consideração o potencial de reuso ou reciclagem dos materiais componentes dos sistemas solares. Tanto sistemas produzidos totalmente na indústria quanto sistemas caseiros à base de materiais recicláveis podem ser reutilizados ou reciclados, reduzindo o volume de materiais destinados a aterros sanitários. Atualmente, no Brasil, não existe legislação sobre a responsabilidade quanto à deposição de equipamentos relacionados aos sistemas solares termais, por isso é necessária a atitude individual dos consumidores para garantir que tais equipamentos não tenham destinação inadequada. Essa situação também é comum em outras partes do planeta. Muitos outros impactos genéricos e específicos podem ser discutidos no que se refere a cada uma das etapas da cadeia produtiva dos sistemas solares termais. Além disso, cada uma das atividades e impactos descritos podem ser derivados em atividades e impactos relacionados de primeiro, segundo ou terceiro grau. Cada impacto precisa ser avaliado em cada contexto específico de análise.

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8. Energia solar fotovoltaica

s pesquisas sobre tecnologias que permitem utilizar a energia solar como fonte de eletricidade têm mais de 50 anos. Ainda assim, a tecnologia fotovoltaica (PV, na sigla em inglês) ainda é considerada tecnologia recente (FSEC, 2011). Este tipo de tecnologia propõe a geração de eletricidade através de métodos limpos, baratos e abundantes (tanto no que se refere à fonte como às matérias-primas necessárias para os equipamentos). Por isso, frequentemente são realizadas descobertas e avanços no que se refere a esta tecnologia.

Uma breve contextualização histórica O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por um físico francês chamado Alexandre-Edmond Becquerel (1820 - 1891). Ele descobriu que certos materiais produzem pequenas quantidades de corrente elétrica quando exposto à luz. Em 1876, o primeiro dispositivo fotovoltaico foi concebido, porém somente em 1956 foi iniciada a sua produção industrial. Foi no final dessa década e no começo dos anos 1960 que a primeira célula fotovoltaica foi produzida com o objetivo de abastecer satélites orbitais com energia elétrica. Na década de 1970, foram alcançados melhoramentos na manufatura, desempenho e qualidade nas células que permitiram a redução de custos, aumentando as possibilidades de uso da tecnologia PV para a utilização remota de energia, como carregamento de baterias, sinalização, telecomunicações e outros usos com baixa necessidade de energia. No ano de 1978, a produção industrial de módulos fotovoltaicos já alcançava a marca de 1 MW/ano. Foi somente nos últimos vinte anos que houve um crescimento significativo da produção mundial. Na década de 1980, a PV ficou acessível ao consumo popular como fonte de energia em calculadoras, relógios, rádios, lanternas, entre outros. Esta popularização foi um reflexo de crises energéticas na década de 1970, que levou a esforços significativos a aplicação da tecnologia fotovoltaica em usos domésticos e comerciais, no que diz respeito a sistemas isolados.

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Inicialmente a tecnologia de produção de energia elétrica fotovoltaica foi utilizada em áreas rurais remotas onde os sistemas centralizados de abastecimento deste serviço não estavam presentes. Posteriormente, nas mais diversas regiões do mundo, as células fotovoltaicas passaram também a ser utilizadas no abastecimento de energia elétrica de clínicas de saúde, além dos sistemas de refrigeração, do bombeamento de água e das telecomunicações. Sua importância atual é claramente perceptível através da constatação de que a indústria de módulos fotovoltaicos apresenta, nos Estados Unidos, por exemplo, um crescimento anual de 25%. (FSEC, 2011). Esse fato é extremamente relevante do ponto de vista social porque permite melhorias na qualidade de vida. Também é importante do ponto de vista ecológico pois evita diversos impactos ambientais decorrentes da implantação ou expansão dos sistemas convencionais de geração de energia (hidrelétricas, termelétricas). A desvantagem é que sistemas individuais necessitam de um banco de acumuladores químicos ou de baterias para armazenar e distribuir a energia gerada pelos painéis solares até os pontos de consumo (RÜTHER, 2004). Para a compreensão de como se dá o efeito fotovoltaico, é relevante destacar os componentes que permitem o bom funcionamento dos painéis fotovoltaicos. Com fins exclusivamente didáticos, separamos os componentes em três partes: o silício, as células e os módulos fovoltaicos. Cada um destes elementos será apresentado a seguir.

O Silício O principal componente dos painéis fotovoltaicos é o silício,pois é um material com características intermediárias – pode ser um condutor ou um isolante. O silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui elétrons livres, e, portanto, é um mau condutor elétrico. Para alterar isto acrescentam-se porcentagens de outros elementos - um processo denominado dopagem. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com elétrons livres ou material com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invés de fósforo, obtêm-se um material com características inversas, ou seja, déficit de elétrons ou material com cargas positivas livres (silício tipo P). Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P (conforme figura a seguir).

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Radiação Solar Barras metálicas Base metálica

Silício tipo N Silício tipo P

Figura 23 – Alteração da paisagem pela mineração 26

Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras, mas ao serem unidas, exatamente na união P-N, gera-se um campo eléctrico devido aos elétrons do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons (partícula de luz) que a integram se chocam com os elétrons da estrutura do silício dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado na união P-N, os elétrons são orientados e fluem da camada “P” para a camada “N”. Por meio de um condutor externo, liga-se a camada negativa à positiva. Gera-se assim um fluxo de elétrons (corrente elétrica) na conexão. Enquanto a luz continua a incidir na célula, o fluxo de elétrons se mantém. A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente. Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Quando a camada negativa de uma célula une-se à camada positiva da seguinte, os elétrons fluem através dos condutores de uma célula para a outra. Este fluxo é repetido até chegar à última célula do módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria. Cada elétron que abandona o módulo é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexão entre módulo e bateria contém o fluxo, de modo que quando um elétron abandona a última célula do módulo e encaminha para a bateria, outro elétron entra na primeira célula a partir da bateria. É por isso que um dispositivo fotovoltaico é considerado inesgotável e.produz energia elétrica em resposta à energia luminosa que entra nele. Deve-se esclarecer que uma célula fotovoltaica não pode armazenar energia elétrica.

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As células fotovoltaicas As células fotovoltaicas são o elemento básico do gerador fotovoltaico. Geralmente elas têm a forma de pequenos discos ou retângulos e são fabricadas em grande escala. As células são cobertas, do lado exposto ao sol, por uma cobertura transparente, normalmente vidro, plástico ou resina de silicone. São nelas que acontece a conversão da energia radiante do sol em energia elétrica. Uma célula PV típica produz entre 0.5 e 0.6 volt CC (corrente contínua ou DC, na sigla em inglês) em circuito aberto. A corrente e energia gerada por este tipo de célula depende da eficiência e área de superfície desta. Esta corrente é proporcional à intensidade da luz solar que atinge a célula (FSEC, 2011). Exemplo: sob condições de sol a pino, uma célula fotovoltaica comercial comum com superfície de 160 cm2 será capaz de produzir cerca de 2 watts de energia. Se a intensidade da luz do sol for de 40% (em relação ao sol a pino) a produção de energia da célula será de 0.8 watts (FSEC, 2011). Tecnologia fotovoltaica

É interessante destacar que a utilização de energia solar para geração de energia elétrica não tem relação direta com o calor. Na verdade, as células solares são mais eficientes em temperaturas amenas. Isso faz com que a utilização da tecnologia fotovoltaica seja adequada tanto para regiões tropicais ensolaradas quanto para áreas com menor insolação. Na internet você pode encontrar um vídeo do departamento de energia norte-americano sobre o funcionamento de células fotovoltaicas. Este vídeo está disponível em: <http://www1.eere.energy.gov/solar/animations.html>.

Atualmente, os principais tipos de células fotovoltaicas disponíveis são: » » silício cristalino (c-Si); » » silício amorfo hidrogenado (a-Si); » » telureto de cádmio (CdTe); » » disseleneto de cobre (gálio) e índio (CIS e CIGS). A seguir, conheça detalhadamente cada um dos tipos de células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas com silício apresentam vantagens estratégicas em relação àquelas produzidas com derivados de cádmio, telúrio, gálio e índio. A tecnologia c-Si apresenta a maior eficiência na conversão de energia solar em eletricidade. Enquanto

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esta tecnologia apresenta 15% de eficiência, as demais tecnologias apresentam entre 7 e 10% de eficiência. Isto implica na necessidade de uma área entre 50% e 100% maior de captação de radiação solar quando a tecnologia utilizada não é o c-Si. Por outro lado, a tecnologia baseada em silício é a única que utiliza lâminas cristalinas de silício relativamente espessas, e acaba ocorrendo uma limitação nas tentativas de redução de custos de produção. As demais tecnologias são baseadas em películas finas (filmes) que podem ser reduzidas, possibilitando reduções de custo. Silício

O silício é a segunda substância mais abundante no planeta, enquanto o cádmio, o telúrio, o gálio e o índio são elementos raros. Além disso, o cádmio, o selênio e o telúrio são substancias tóxicas que demandam cuidados especiais na exploração, uso e descarte. (RUTHER, 2004).

Silício cristalino (c-Si) Esta é a tecnologia PV mais tradicional. Atualmente, é líder de mercado devido a sua durabilidade, confiabilidade, eficiência e necessidade de menores áreas de captação. No entanto, apresenta altos custos de produção. Alguns pesquisadores acreditam que o potencial de redução de custos desta tecnologia está esgotado. (MAYCOCK, 2003; RUTHER, 2004). Tecnologia c-Si

As tecnologias c-Si funcionam melhor em temperaturas amenas. O excesso de radiação pode prejudicar a eficiência das células fotovoltaicas.

A figura 24 apresenta um módulo fotovoltaico baseado em c-Si.

Figura 24 – Módulo fotovoltaico 27

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Existem duas formas básicas de produção de células fotovoltaicas que utilizam silício cristalino (c-Si), são elas: sílício monocristalino (m-Si) ou silício policristalino (p-Si) (FSEC, 2011), cuja diferença será apresentada a seguir. A tecnologia m-Si implica em banhar o cristal com silício fundido de alta pureza (99,9%) em reatores com velocidades de crescimento do cristal bastante lenta, com atmosfera controlada e temperatura em torno de 1400oC. Ainda são necessárias outras etapas para o crescimento do monocristal, como o corte de lâminas por serras diamantadas; a lapidação, o ataque químico e os polimentos de lâminas; os processos de difusão, deposição de máscara condutora de energia elétrica produzida e a composição do módulo fotovoltaico pela composição das células PV em séries. (RUTHER, 2004). Diante deste complexo sistema de produção, o tempo de retorno (prazo necessário para o painel gerar a energia gasta em sua produção) é de aproximadamente 2 anos (RUTHER, 2004). Este período pode ainda variar de acordo com as condições de irradiância do local de implantação, o que é considerado um alto custo de produção. Já a tecnologia p-Si apresenta custos de produção menores, pois não necessita de cristais tão perfeitos. Da mesma forma que no outro processo, o material inicial é fundido e solidificado na forma de um bloco com grãos e cristais. A existência de defeitos ao redor destes cristais reduz a eficiência dos equipamentos que utilizam esta tecnologia. Depois da solidificação, são cortadas lâminas que são lapidadas e polidas; as quais sofrem processos de difusão e deposição de máscara condutora. Finalmente, as células podem compor o módulo fotovoltaico pela composição das células PV em séries (RUTHER, 2004). Outra possibilidade é a composição de módulos em tiras da espessura das células PV que evitam a necessidade de fatiamento em lâminas. Maycock (2003) aponta o crescimento da tecnologia p-Si no mercado mundial ao afirmar que em 2003 esta tecnologia era responsável por 50% dos módulos produzidos.

Figura 25 – Célula de silício monocristalino e de silício policristalino 28

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Silício amorfo hidrogenado (a-Si) Nos anos 1980, foi desenvolvido uma nova tecnologia à base de silício que permitiu a produção de filmes finos viáveis economicamente: o silício amorfo hidrogenado (a-Si). Tal tecnologia é amplamente aplicada em equipamentos com baixo consumo de eletricidade como calculadoras e relógios, e este tipo de filme fotovoltaico apresenta melhor resposta à região azul do espectro eletromagnético, por isso apresenta boa eficiência em dias nublados e sob iluminação artificial, como por exemplo, lâmpadas fluorescentes. Os equipamentos baseados nesta tecnologia não são prejudicados pelo aumento de temperatura, o que os torna muito adequados para os países tropicais. Mesmo em edificações urbanas onde os módulos podem atingir altas temperaturas, os equipamentos a-Si apresentam bom desempenho. Tecnologia a-Si

A tecnologia do a-Si é mais utilizada do que o c-Si como material de revestimento. Este tipo de revestimento pode ser aplicado em telhados e fachadas com as instalações integradas à edificação. Possui aspecto atraente e seu custo por m2 é inferior. O tempo de retorno desta tecnologia é inferior ao silício cristalino, em torno de 1 ano. Boa parte deste tempo está relacionado à produção do substrato de vidro ou aço inox (RUTHER, 2004).

O silício amorfo hidrogenado é fixado em substrato de vidro, aço inox ou alguns tipos de plástico. Seu processo de produção utiliza o plasma e ocorre em temperaturas menores do que 300oC. Assim são produzidos módulos solares semitransparente, flexíveis, inquebráveis e leves; porém eles não apresentam eficiência tão elevada quanto o c-Si.

Telureto de cádmio (CdTe) A tecnologia à base de telureto de cádmio é mais recente do que aquelas baseadas em silício. No entanto, sua participação no mercado vem se ampliando devido aos seus menores custos de produção e de implantação. Sua aplicação em equipamentos com baixo consumo de eletricidade como calculadoras e relógios já é bastante difundida. Seu aspecto agradável também lhe garante uma utilização em projetos arquitetônicos, em telhados e fachadas, assim como o a-Si. Os módulos fotovoltaicos de CdTe utilizam substratos de vidro em tons de marrom ou azul escuro.

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Apesar dos custos de produção reduzidos e a consequente competitividade desta tecnologia, as empresas produtoras destes módulos ainda investem na ampliação de volumes de produção. Relativamente, o cádmio e o telúrio são elementos pouco abundantes, e, além disso, o cádmio é tóxico. Estes fatores são restritivos para a implantação de amplos aproveitamentos solares baseados nesta tecnologia (RUTHER, 2004).

Figura 26 – Telureto de cádmio - Painel solar solar fotovoltaico flexível 29

Disseleneto de cobre, gálio e índio (CIS e CIGS) As tecnologias para utilização de compostos baseados em disseleneto de cobre e índio (CIS) e disseleneto de cobre, gálio e índio (CIGS) apresentam grande potencial para geração de energia elétrica utilizando a fonte solar. Estes compostos apresentam bom apelo estético e também estão sendo utilizados em projeto arquitetônicos. Além disso, as tecnologias CIS e CIGS apresentam eficiência maior do que os equipamentos à base de a-Si ou CdTe. Os filmes finos comercialmente existentes baseados em CIS e CIGS são os que apresentam o melhor rendimento fotovoltaico (RUTHER, 2004). A Figura 27 apresenta um módulo fotovoltaico baseado em CIS e CIGS. Como conclusão desta parte do estudo, observe e compare na tabela a seguir a eficiência de conversão dos diferentes tipos de células fotovoltaicas.

Figura 27 – Módulo fotovoltaico de CIS e CIGS 30

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Tabela 1 – Eficiência de conversão 31

Eficiência de conversão (módulos comerciais @ STC) m-Si

12 – 15%

p-Si

11 – 14%

a-Si

6 – 8%

CdTe

7 – 10%

CIGS

9 – 11%

Os módulos fotovoltaicos A tecnologia PV atual utiliza, como vimos até aqui, as chamadas células solares, ou seja, semicondutores que convertem a energia solar diretamente em elétrica de corrente contínua (DC). As células, por sua vez, são organizadas em módulos. O módulo fotovoltaico é um dispositivo que contém células solares para converter energia solar em eletricidade (Figura 28).

Figura 28 – Célula fotovoltaica 32

O módulo fotovoltaico é, portanto, a unidade básica do subsistema de geração de eletricidade. Ele consiste numa estrutura montada em quadro geralmente de alumínio e é composto de um conjunto de células fotovoltaicas interligadas entre si em paralelo ou em série, cobertas por um encapsulamento que protege as mesmas e suas conexões da ação do tempo e dos eventuais impactos. A parte inferior do painel solar é revestida por um material plástico. Na saída de cada módulo se tem a soma da energia produzida por cada célula resultando em um montante energético mais significativo e já adaptado às características da tensão elétrica de saída do módulo. Usualmente um módulo típico utilizado para carregar uma bateria de 12 Volts apresenta de 30 a 36 células. Para muitas aplicações de pequeno porte basta um módulo fotovoltaico. Aplicações maiores exigem o uso de muitos módulos. Vários módulos podem ser conectados fisicamente e eletricamente em uma mesma estrutura formando um painel.

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O arranjo fovoltaico Um conjunto de painéis de uma mesma instalação forma um arranjo. Um arranjo pode ser composto por apenas um painel fotovoltaico ou por milhares, dependendo do porte da instalação de geração de eletricidade. Arranjo fotovoltaico

Portanto: as células compõem os módulos; a reunião de diversos módulos compõe um painel PV. Um painel é a unidade básica de instalação dos sistemas fotovoltaicos. Por fim, um arranjo fotovoltaico é a unidade de geração de energia completa que pode conter qualquer número de módulos e painéis PV (FSEC, 2011). Observe as definições a seguir: ▪▪ Célula Fotovoltaica: unidade mínima de geração de energia elétrica utilizando a fonte solar. ▪▪ Módulo Fotovoltaico: grupo de células seladas. ▪▪ Painel Fotovoltaico: conjunto de módulos interligados. ▪▪ Arranjo Fotovoltaico: sistema de geração de energia elétrica a partir da fonte solar completa.

A Figura 29 mostra a relação entre células, módulos, painéis e arranjos fotovoltaicos:

Figura 29 – Células, módulos, painéis e arranjos fotovoltaicos 33

Para o arranjo fovoltaico funcionar de maneira eficiente faz-se necessário, além do silício, a célula (do módulo e do painel fotovoltaico) e outros três componentes fundamentais que são: os acumuladores e/ou baterias, os controles de carga e o inversor de corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA).

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Os acumuladores (baterias) Devido às características de variabilidade da radiação solar, a eletricidade produzida pelos módulos fotovoltaicos apresenta níveis variáveis dependendo das condições de insolação. Durante a noite não há nenhuma geração, e no início da manhã ou no final da tarde os níveis de energia elétrica gerados são baixos. O mesmo ocorre em dias nublados. Próximo ao meio-dia a geração de energia está máxima.

Figura 30 – Baterias 34

Para algumas aplicações (como o bombeamento de água, por exemplo) isto pode não ser problema, pois é possível armazenar a água em reservatórios e usá-la quando se desejar. Entretanto, a maioria das aplicações de sistemas isolados necessita que a energia elétrica esteja disponível durante as 24 horas do dia e, principalmente, à noite, para iluminação. O armazenamento da energia elétrica contínua gerada pelos módulos é normalmente realizado através de acumuladores ou baterias. Nestes equipamentos a energia elétrica é armazenada sob a forma de energia química. As baterias mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos são as seladas e as de descargas profundas. Existem baterias especificamente projetadas para sistemas fotovoltaicos que levam em conta as características próprias desse tipo de aplicação. Deve-se evitar o uso de baterias automotivas comuns utilizadas em veículos.

Os controladores de carga O controlador de carga é um equipamento utilizado em sistemas fotovoltaicos, basicamente, para proteger as baterias e garantir uma vida útil maior para as mesmas. Ele é muito importante, já que a bateria é um equipamento Figura 31 – Controlador de carga 35 crítico no sistema e responsável pela maior parte das despesas que se tem com um sistema fotovoltaico após sua instalação. O controlador de carga protege a bateria das descargas profundas e também do carregamento excessivo que provoca aumentos de temperatura.

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O inversor CC para CA Muitos equipamentos consumidores de energia existentes no mercado, principalmente eletrodomésticos, estão disponíveis apenas em corrente alternada e geralmente estão na faixa de 127 V e 220 V. O mercado ainda não disponibiliza em corrente contínua toda a gama de equipamentos que podem ser usados em sistemas fotovoltaicos, principalmente os televisores, os videocassetes e as antenas parabólicas.

Figura 32 – Inversor de CC para CA 36

A função do inversor é transformar a energia elétrica contínua das baterias em energia elétrica alternada adequada para os consumidores.O inversor trabalha com tensões de entrada de 12, 24, 48 ou 120 Vcc e converte para 120 V ou 240 V na frequência de 50 ou 60 Hz. A especificação técnica de cada tipo de inversor dependerá da capacidade de geração das placas fotovoltaicas e dos tipos de consumidores.

O sistema fotovoltaico Um sistema PV, apesar de utilizar equipamentos eletromecânicos diferentes, funciona como qualquer outro sistema de geração de energia elétrica. Os princípios de funcionamento e interface com outros sistemas elétricos são os mesmos. Estes princípios são orientados por códigos elétricos bem estabelecidos. A implantação de um sistema PV implica na utilização de diversos componentes para conduzir, controlar, converter, distribuir e estocar adequadamente a energia, além do próprio arranjo fotovoltaico em si. O funcionamento e as especificações operacionais do sistema definem os componentes específicos necessários, como: inversores CC-CA (corrente contínua-corrente alternada; DC-AC, em inglês), acumuladores químicos (baterias), controladores de baterias, fontes auxiliares de energia, fios, disjuntores e outros equipamentos de proteção (FSEC, 2011). A figura 33 mostra um diagrama com os principais componentes presentes em um sistema fotovoltaico.

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Luz Solar Painel Solar Controlador de Carga das Baterias Baterias Inversor Consumo

Figura 33 – Principais componentes de um sistema fotovoltaico 37

Sistemas fotovoltaicos podem ser desenhados para gerar correntes CC (DC) e/ ou CA (AC). Podem operar de forma independente ou conectada com o sistema central pública ou ainda podem ser conectados a outras fontes de energia ou sistemas de estocagem. Existem diversas formas de classificar os tipos de sistemas PV. Geralmente eles são classificados da seguinte forma: » » quanto às suas especificações funcionais e operacionais; » » quanto às configurações de seus componentes; e » » quanto à forma como o equipamento é conectado a outras fontes de energia e sistemas elétricos. As principais classificações são: Sistemas individuais ou autônomos e Sistemas conectados à rede pública. Conheça como opera cada um destes sistemas detalhadamente.

Sistemas individuais ou autônomos Os sistemas fotovoltaicos individuais são desenhados para operar de forma independente do sistema elétrico centralizado e geralmente buscam abastecer tipos específicos de equipamentos elétricos, podendo serem compostos de apenas um arranjo PV.

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O sistema PV individual mais simples é o sistema direto, onde a saída DC do módulo ou arranjo é diretamente ligado ao equipamento. Como este tipo de sistema não utiliza acumuladores, a geração de energia ocorre apenas durante o dia. Com frequência ele é utilizado para operar ventiladores, bombas de água, e pequenas bombas de circulação de água quente em sistemas de aquecimento. Uma das dificuldades é adequar as necessidades dos equipamentos à saída de energia gerada pelo arranjo PV. Em algumas situações é possível instalar um dispositivo eletrônico do tipo conversor DC-DC entre o arranjo PV e o equipamento, visando à melhor utilização da energia elétrica gerada. Em muitos sistemas individuais são usadas baterias ou acumuladores para estocagem da energia produzida. A figura 34 mostra um diagrama de um sistema individual fotovoltaico. Painel fotovoltaico

Controlador de carga

Carga DC

Bateria

Inversor

Carga AC

Figura 34 – Sistema fotovoltaico individual direto com bateria de estocagem 38

Ainda é possível agregar outros sistemas auxiliares de geração de energia, como a eólica. Este tipo de sistema é chamado de híbrido fotovoltaico. A Figura 35 pode ilustrá-lo. Painel fotovoltaico

Controlador de carga

Carga DC

Retificador

Bateria

Inversor

Motor-gerador, turbina eólica, ou rede de backup

Figura 35 – Sistema fotovoltaico individual híbrido 39

Carga AC

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Os principais componentes de sistemas fotovoltaicos individuais ou autônomos são: módulos coletores solares, sistema de fixação à edificação, diodos de passagem (bypass) e de bloqueio, fusíveis, disjuntores, cabos elétricos, terminais, proteção contra e acumuladores ou baterias (RUTHER, 2004). Normalmente, os sistemas fotovoltaicos produzem tensões de circuitos abertos de 20V que são adequadas para a acumulação em baterias de 12V. Ainda é possível mesclar sistemas solares termais e sistemas fotovoltaicos visando a reduzir a utilização de outras fontes de energia. Com a utilização de um sistema solar termal com bombas elétricas é possível instalar módulos PV que sejam capazes de gerar energia elétrica a partir da radiação solar e acionarem a bomba do sistema termal. Assim, a água flui entre o coletor e tanque de estocagem apenas quando o sol está brilhando. Também é possível utilizar os módulos fotovoltaicos para acionar temporizadores que controlam o funcionamento de sistemas solares termais. Estes temporizadores podem ser abastecidos mesmo em momentos de falha de energia.

Sistemas conectados à rede pública Já os sistemas PV conectados à rede pública ou sistemas de utilidade interativa são desenhados para operar concomitantemente e de forma conectada com a rede elétrica majoritária (FSEC, 2011). De forma geral, podem apresentar duas configurações diferentes: integrados às edificações existentes (descentralizada) ou instalados em usinas geradoras (centralizada). Os sistemas solares centralizados apresentam custos adicionais relacionados à implantação de outros sistemas para distribuição da eletricidade produzida. Estes sistemas centralizados apresentam poucas vantagens competitivas em relação aos sistemas já estabelecidos (produzidos por usinas hidrelétricas, termelétricas e nucleares). Diante disso, as pesquisas atuais concentram esforços no desenvolvimento de sistemas descentralizados conectados à rede pública de abastecimento de eletricidade. Os sistemas solares PV descentralizados apresentam diversas vantagens, tais como: » » dispensam espaço físico extra, uma vez que são instalados nas fachadas e telhados das edificações já existentes; » » evitam redução da qualidade da energia produzida porque são instalados próximo aos consumidores e dispensam sistemas de distribuição; » » dispensam o uso de acumuladores ou baterias que constituem 30% dos custos de implantação de sistemas solares;

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» » não demandam superdimensionamento dos coletores solares porque podem compensar períodos de baixa insolação com a energia da rede pública; » » podem ser utilizados como revestimento arquitetônico e reduzir custos em novas edificações. Os módulos solares mais comuns são aqueles baseados na tecnologia c-Si (silício monocristalino). Estes módulos apresentam dimensões maiores e precisam ser instalados em superfícies horizontais, como telhados. As novas tecnologias a-Si (silício amorfo hidrogenado), CdTe (seleneto de cádmio), CIS (disseleneto de cobre e índio) e CIGS (disseleneto de cobre, gálio e índio) estão sendo desenvolvidas para aplicação direta no revestimento de edificações. Para tanto, são comercializados em módulos fotovoltaicos de aço inoxidável revestido com resina plástica na forma de rolos flexíveis com adesivo autocolante no verso. Também são utilizados módulos de vidro sem molduras que podem ser instalados diretamente nas aberturas de edificações. Por fim, existem ainda módulos fotovoltaicos na forma de telhas de vidro para instalações diretamente nos telhados. (RUTHER, 2004). Os principais componentes de sistemas fotovoltaicos integrados à rede pública são: módulos coletores solares, sistema de fixação à edificação, conversor/inversor de corrente (CC-CA ou DC-AC), diodos de passagem (by-pass) e de bloqueio, fusíveis, disjuntores, cabos elétricos, terminais, proteção contra sobretensões e descargas atmosféricas e caixas de conexão. (RUTHER, 2004). Após a instalação dos módulos coletores deve ser instalado o inversor ou a unidade de condicionamento de energia (PCU, na sigla em inglês). Este equipamento converte a corrente CC (DC) produzida pelo arranjo em corrente CA (AC) concernente à voltagem e a qualidade de energia requeridos pela rede central. Este equipamento ainda é capaz de interromper automaticamente a produção de energia quando a rede central não está energizada. (FSEC, 2011). Normalmente, os sistemas solares produzem tensões de circuitos abertos de 20V. No entanto, as redes centralizadas apresentam tensões entre 110V e 220V. Para alcançar esta tensão são instalados módulos em série (strings) paralelos, até que seja possível chegar à corrente desejada. Os cabos utilizados neste sistema devem suportar temperaturas a 50oC acima da temperatura ambiente. Para evitar que estes strings sofram sobrecargas são instalados fusíveis e,.além disso, os módulos em série podem apresentar correntes reversas que podem ser evitadas se forem utilizados os diodos de bloqueio. Os diodos de by-pass são utilizados para isolar um string em condições de sombreamento parcial e evitar que a série atue como uma carga (RUTHER, 2004).

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Nos sistemas conectados existem uma interface bidirecional entre os sistema PV e os circuitos de saída AC; e a rede elétrica central. Geralmente, esta interface apresenta uma entrada de serviço ou de distribuição do painel que permite que a energia produzida pelo sistema solar fotovoltaico possa ser utilizado para abastecer equipamentos no local ou para alimentar a rede central de energia elétrica quando a demanda local for menor do que a produção do sistema (FSEC, 2011). Assim, quando a produção de energia no sistema fotovoltaico for menor do que a demanda de eletricidade no local (como à noite, por exemplo), os equipamentos do local serão abastecidos pela rede elétrica pública. Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica pública podem operar mesmo quando o abastecimento público for interrompido. Para isso, deve-se usar uma bateria de estocagem, que é muito útil em domicílios e em pequenos negócios que precisam garantir o suprimento de energia elétrica para refrigeradores, bombas de água, iluminação e outras necessidades. Quando a bateria é instalada, ela recebe a eletricidade produzida pelo sistema fotovoltaico, e somente quando ela está totalmente carregada o excesso de eletricidade produzida é mandada para a rede pública. Isto mantém a bateria constantemente carregada. Para além de conhecer os tipos de sistemas fotovoltaicos existentes, convém destacar também a importância de medir a eficiência dos painéis fotovotaicos e os custos envolvidos na sua instalação e manutenção. Critérios como estes são essenciais no momento de optar por um sistema fotovoltaico. Estude-os a seguir.

Eficiência dos painéis fotovoltaicos A eficiência de conversão fotovoltaica é dada pela razão entre a potência máxima (Pmax) fornecida pela célula ou módulo fotovoltaico e o produto da área da célula ou módulo pela radiação incidente sobre esta área. η = Pmax / Pi Pi – potência de radiação solar incidente sobre a área da célula ou módulo fotovoltaico. Devido ao movimento de translação e rotação da Terra em torno do sol e ao fato de que os painéis fotovoltaicos são geralmente fixos, a eficiência desses varia com o decorrer do dia. O ideal é que a radiação solar incidente nestes painéis não sofra muita variação para que a geração de energia diária seja maior.

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Custo do painel fotovoltaico Estes sistemas têm evoluído enormemente desde as suas primeiras utilizações na década de 50. Desde esta data o custo dos sistemas PV continua a decrescer com o crescimento e o desenvolvimento de novos sistemas que se tornam cada vez mais fortes no mercado da energia. Os esforços combinados da indústria e das organizações públicas e governamentais tornaram possível um decréscimo dos custos dos sistemas PV em mais de 300% desde 1982. Observe o gráfico a seguir.

300 250

Evolução do custo de painéis solares fotovoltaicos

US$ / Wp

200 150 100 50

− 5 $/Wp − 1.5 $/Wp

0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Ano Gráfico 3 – Evolução do custo de painéis solares fotovoltaicos 40

Impactos ambientais da energia fotovoltaica Através do método ação-aspecto-impacto ambiental (SÁNCHEZ, 2006) vamos analisar alguns dos principais impactos relacionados à toda a cadeia produtiva dos sistemas solares fotovoltaicos. Como foi feito na seção que trata dos impactos ambientais dos sistemas solares termais, esta avaliação utiliza critérios preestabelecidos para definir a importância relativa de cada impacto dentro do contexto de análise, hierarquizando os impactos entre mais e menos importantes, ou graves, a partir do conceito de “utilidade marginal”.

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Impactos ambientais

A avaliação de impactos ambientais dos sistemas solares fotovoltaicos considera: ▪▪ as ações necessárias para implantação, operação e descarte dos sistemas solares fotovoltaicos; ▪▪ os aspectos do ambiente de entorno (ecológicos, econômicos e sociais) que são afetados pela implantação, operação e descarte dos sistemas; ▪▪ os impactos ambientais (relacionados ao ambiente natural, à economia e à sociedade) provocados pela implantação, operação e descarte dos sistemas solares, tendo em vista a utilidade marginal.

As primeiras ações necessárias para iniciar a cadeia produtiva dos sistemas solares fotovoltaicos referem-se à exploração dos minerais necessários para construção dos equipamentos. O beneficiamento destes minerais é o segundo conjunto de ações. Depois de beneficiados os materiais são transportados até as indústrias e lá eles são utilizados para construção do equipamento. Quando prontos, os equipamentos precisam ser novamente transportados das fábricas para os estabelecimentos de comercialização dos sistemas. Uma vez vendidos, são instalados e conservados. Ao final de sua vida útil, os equipamentos que compõem os sistemas solares fotovoltaicos precisam ser descartados. Todas estas ações podem afetar diferentes aspectos do ambiente. Assim, tanto as atividades relacionadas à exploração mineral como o descarte inadequado de equipamentos pode afetar a qualidade do solo, da água e do ar, mas a implantação de sistemas solares fotovoltaicos pode melhorar a qualidade de vida. As principais ações relacionadas à cadeia produtiva dos sistemas solares fotovoltaicos são a mineração e o beneficiamento do minério, a construção, o transporte, a instalação, a manutenção e o descarte de equipamentos, que afetam, principalmente, aspectos ambientais de qualidade do solo, da água, do ar, de vida. As ações ambientais podem levar ao risco de contaminação do solo e da água por metais pesados, ao risco de contaminação do ar com material particulado diverso, à geração de gases de efeito estufa, à perda de reservas de recursos não renováveis, ao risco de acidentes físicos, à perda de biodiversidade e habitats e à alteração da paisagem e geração de empregos.

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O Quadro 2 apresenta as relações entre ações, aspectos e impactos ambientais:

Mineração Beneficiamento do minério Construção do equipamento Transporte de equipamento Instalação dos equipamentos Manutenção de equipamento Descarte dos equipamentos Quadro 2 – Relação ação/ aspectos ambientais e Impactos ambientais na utilização de sistemas solares fotovoltaicos 41

1. Mineração A mineração dos materiais necessários para construção de sistemas solares fotovoltaicos se refere ao ferro, ao cobre e ao alumínio, também utilizados nos sistemas termais. Além destes minerais são necessários ainda o silício, o cádmio, o índio e o selênio, sendo que alguns deles apresentam índices de toxicidade elevados. Diante disso, as atividades mineradoras destes elementos podem causar impactos ambientais mais graves, afetando, inclusive, aspectos ambientais relacionados à qualidade do solo, da água e do ar.

Geração de empregos

Alteração da paisagem

Perda de biodiversidade e habitat

Risco de acidentes físicos

Perda de reservas de recursos não-renováveis

Geração de gases de efeito estufa

Risco de contaminação do ar com material particulado diverso

Risco de contaminação da água

Impactos Ambientais

Risco de contaminação do solo

Ações

Eficiência do sistema solar

Qualidade de vida

Qualidade do ar

Qualidade da água

Qualidade do solo

Aspectos Ambientais

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Os principais impactos ambientais das atividades mineradoras em questão incluem: o risco de contaminação do solo e da água, o risco de contaminação do ar com material particulado diverso, a perda de reservas de recursos não renováveis, o risco de acidentes físicos, a perda de biodiversidade e habitats, a alteração da paisagem e a geração de empregos. A principal preocupação no que se refere à exploração de minerais com níveis altos de toxicidade está centrada na drenagem ácida de minas ou de rochas que podem levar à contaminação de rios e lençóis freáticos. Este tipo de contaminação torna a água imprópria para uso por muito tempo, mesmo após o final das atividades mineradoras. A perda de recursos hídricos é um problema ambiental gravíssimo. A gestão adequada da água é uma das metas do milênio para garantir a sustentabilidade das atividades antrópicas, por isso a gestão correta dos resíduos da mineração é fundamental.,O manejo adequado das estruturas e dos rejeitos garante o sucesso da gestão ambiental local. A drenagem ácida de minas, também conhecida pela sigla (DAM), e a drenagem ácida de rochas (DAR) são problemas drásticos que podem ter sido causados pelo manejo incorreto dos rejeitos e resíduos da mineração. Em geral, este problema ocorre quando o mineral ou o metal de interesse da atividade mineradora está associado a sulfetos. Em sua exploração é gerada uma solução ácida quando os minerais sulfatados passam por uma reação química de oxidação, ou seja, são oxidados pela água. Esta solução funciona como um lixiviante dos minerais que estão nos resíduos da mineração. Isto quer dizer que a solução da drenagem ácida de minas tem a capacidade de extrair componentes dos rejeitos e levá-los até os corpos hídricos (superficiais ou subterrâneos) do local. Os materiais retirados pela solução formam um percolado rico em metais dissolvidos e ácido sulfúricos com alto poder contaminante. A solução resultante da drenagem ácida de minas ou de rochas pode ser encontrada em pilhas de rejeitos ou de estoque de minérios, cavas de mina a céu aberto, em barragens de resíduos e também em galerias de minas subterrâneas. A retirada de materiais das áreas de mineração é realizada por rodovias ou ferrovias. O deslocamento de veículos de transporte pesados lança material particulado na atmosfera proveniente da queima de combustíveis fósseis e do deslocamento de sedimento pela passagem dos veículos. Tanto este transporte quanto a própria exploração dos minérios são responsáveis pela utilização de recursos não renováveis, como combustíveis fósseis, ferro, cobre, cádmio, índio e selênio, cuja existência é limitada no planeta. A utilização de silício nos sistemas solares fotovoltaicos representa a busca de uma solução sustentável, uma vez que o silício é o segundo elemento mais abundante na superfície terrestre (HAMMOND, 1992).

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As atividades de mineração transformam a paisagem pela retirada da cobertura vegetal, pelas atividades de escavação e terraplanagem. Estas ações modificam o ecossistema local e podem levar à perda do habitat e da biodiversidade. Por outro lado, a atividade mineradora apresenta alto potencial de geração de empregos.

2. Beneficiamento de minérios O beneficiamento dos minérios necessários para construção de sistemas solares pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do solo, da água e do ar. Estas atividades geram impactos como risco de contaminação do solo e da água, risco de contaminação do ar com material particulado diverso, risco de acidentes físicos, perda de biodiversidade e habitats e geração de empregos. Os processos causadores de impactos ambientais pelo beneficiamento dos minérios necessários para construção de equipamentos fotovoltaicos são muito semelhantes àqueles relacionados aos sistemas solares termais.

3. Desenvolvimento de equipamentos A fabricação de células solares fotovoltaicas tem início com semicondutores de polissilicones muito puros. Este tipo de material é processado a partir do quartzo e é utilizado extensivamente pela indústria de eletrônicos. O polissilicone é aquecido e traços de boro são acrescentados. Em seguida, é formado um bloco de silicone. Discos individuais são fatiados a partir destes blocos e os discos são limpos e depois usados como camadas de semicondutores muito finos em toda superfície da célula. Depois, uma cobertura antirreflexiva é aplicada sobre a superfície da célula. Contatos elétricos são impressos na superfície negativa da célula e um material condutor aluminizado é depositado na superfície positiva. Depois disso, todas as células são eletricamente testadas quanto à saída de corrente e quanto à capacidade de conexão com outras células, formando, assim, circuitos para compor módulos. (FSEC, 2011). Módulos fotovoltaicos na forma de filmes finos são manufaturados através do depósito de camadas ultrafinas de materiais semicondutores em câmara de vácuo sobre substratos que podem ser de vidro ou de metal. Laser é utilizado para separar e soldar as conexões elétricas entre as células individuais que compõem os módulos PV. A pesquisa em filmes fotovoltaicos cada vez mais finos visa reduzir a demanda de materiais necessários para o desenvolvimento dos equipamentos fotovoltaicos. (FSEC, 2011).

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Dessa forma, é possível perceber que o desenvolvimento de equipamentos necessários para construção de sistemas solares fotovoltaicos pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do ar e à qualidade de vida dos trabalhadores envolvidos. A qualidade do ar pode ser mais ou menos afetada conforme o tipo de fonte de energia adotada pelo sistema industrial produtor dos módulos fotovoltaicos. Já a qualidade de vida tem relação com as tentativas da indústria de garantir maior confiança aos funcionários através da utilização de equipamentos individuais e do estabelecimento de políticas empresariais relacionadas à segurança no trabalho. A instalação de fábricas para desenvolvimento de sistemas solares fotovoltaicos também implica na retirada da vegetação original e na redução da biodiversidade e habitats. Além da remoção da cobertura vegetal, as atividades de terraplanagem são necessárias para instalação de indústrias deste tipo.

4. Transporte de equipamentos O transporte de equipamentos necessários para construção de sistemas solares pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do ar. Esta atividade gera impactos como orisco de contaminação do ar com material particulado diverso, a geração de gases de efeito estufa, a perda de reservas de recursos não renováveis, o risco de acidentes físicos e a geração de empregos. Uma vez produzidos os equipamentos solares fotovoltaicos, eles precisam ser transportados para as regiões onde serão comercializados. Da mesma forma que os sistemas termais, os equipamentos fotovoltaicos podem ser realizados por via naval, ferroviária ou rodoviária. O nível de impacto depende do sistema viário utilizado. É necessário destacar ainda que o transporte de equipamentos solares pode gerar empregos diversos, mas apresenta riscos de acidentes físicos.

5. Instalação dos equipamentos A instalação de equipamentos necessários para construção de sistemas solares PV pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade de vida. Esse aspectos se referem aos risco de acidentes físicos decorrente da implantação dos sistemas em telhados ou fachadas de edificações. Eles também têm relação com o risco de acidentes relacionados à energia elétrica. A utilização de equipamentos de segurança e o treinamento e atualização constante dos trabalhadores pode reduzir sensivelmente estes riscos. Como podemos observar, a instalação de equipamentos para geração de energia elétrica a partir da tecnologia fotovoltaica apresenta potencial para geração de empregos.

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6. Manutenção de equipamentos A manutenção de equipamentos necessários para construção de sistemas solares fotovoltaicos pode afetar aspectos ambientais relacionados com a qualidade de vida. Este aspecto está relacionado com riscos de acidentes físicos associado às atividades de manutenção. Além disso, a necessidade de manutenção dos equipamentos é capaz de gerar empregos. No entanto, sistemas PV bem desenhados e com equipamentos de qualidade não requerem muita manutenção, ou seja, sistemas de qualidade e bem instalados requerem mínima manutenção em sua longa vida útil.

7. Descarte dos equipamentos fotovoltaicos Devido à utilização de matérias-primas minerais não renováveis e muitas vezes tóxicas para o ambiente, o descarte dos equipamentos fotovoltaicos pode causar impactos ambientais que afetam, principalmente, a qualidade da água, do solo e da vida. O descarte de substâncias tóxicas pode prejudicar a saúde ambiental de determinada área através da contaminação do solo e da água pela ação das chuvas que carregam tais substâncias. O depósito de materiais em aterros sanitários adequados que apresentam sistemas de isolamento do solo e dos recursos hídricos pode minimizar estes impactos. Também é relevante enfatizar que a reutilização ou reciclagem dos materiais não renováveis é interessante porque evita os impactos decorrentes do descarte destas substâncias no ambiente. Além disso, a reciclagem evita os impactos ambientais decorrentes das atividades de mineração e do beneficiamento dos minérios, e pode reduzir o custo dos materiais. Lembre-se de que essa avaliação de impactos ambientais dos sistemas solares fotovoltaicos é superficial porque não conta com definição espacial. Além disso, consideramos as ações e os impactos genéricos relacionados à tecnologia fotovoltaica sem levar em conta diferentes graus de impactos que podem (e devem) ser avaliados em projetos específicos.

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Impactos negativos

Assim, podemos destacar que sistemas fotovoltaicos apresentam impactos negativos relacionados principalmente aos processos de mineração, beneficiamento e transporte de minérios necessários para produção dos equipamentos.

Além dos impactos ambientais supracitados, a implantação de sistemas fotovoltaicos apresenta outros fatores limitantes, tais como: » » os sistemas solares fotovoltaicos apresentam altos custos de implantação quando comparados com os tipos de geração de energia elétrica convencionais; » » devido ao seu alto custo de implantação, o valor econômico dos sistemas PV só pode ser recuperado ao longo de muitos anos; » » os sistemas fotovoltaicos podem ser limitados pela superfície de implantação disponível.

Vantagens da energia fotovoltaica Os sistemas fotovoltaicos, apesar os impactos ambientais analisados, também apresentam vantagens quando comparado a outras formas de geração de energia. Observe os pontos destacados a seguir. São vantagens do uso da energia fotovoltaica: » » Autonomia: uma das principais vantagens do uso das células fotovoltaicas para geração de eletricidade é que o consumidor é também o produtor da energia, sendo dono e responsável por todo o processo. » » Fonte energética gratuita e disponível: devido à fonte energética solar ser disponível em todas as partes, fica minimizado o problema do suprimento de eletricidade em locais remotos, distantes de cidades e de redes elétricas, com estradas ruins e com dificuldades de obtenção de combustíveis fósseis.

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» » Energia elétrica sem interferências externas: as redes elétricas convencionais podem trazer para dentro da instalação do consumidor distúrbios elétricos, ocasionando danos a equipamentos e seres vivos. Equipamentos eletrônicos são muito sensíveis a surtos de tensão provocados principalmente por descargas atmosféricas, muito comuns em redes de distribuição. Estação repetidora de telecomunicações situada em locais elevados aumenta muita sua confiabilidade quando alimentadas por sistemas fotovoltaicos (e não por redes elétricas). » » Modularidade: devido às células fotovoltaicas estarem dispostas em módulos, os sistemas podem ser expandidos de acordo com as necessidades. Isso possibilita que os sistemas sejam projetados mais, reduzindo então o investimento inicial. Além do exposto, os sistemas fotovoltaicos apresentam-se como uma boa opção em relação às tecnologias convencionais de energia, porque: » » podem ser desenhados para grande variedade de aplicações e para diversas necessidades operacionais; » » reúnem independência e compatibilidade ambiental; » » não fazem barulho e não emitem material particulado (FSEC, 2011). Outra vantagem importante da energia elétrica fotovoltaica é o fato de que esta é capaz de gerar energia distribuída em oposição à maior parte dos sistemas de abastecimento de eletricidade atuais, que são caracterizados pela centralização da produção. É necessário destacar que a possibilidade de geração de energia elétrica de forma descentralizada é um importante ponto positivo dos sistemas fotovoltaicos no que se refere à sustentabilidade. As usinas de geração de energia elétrica convencional (hidrelétricas, termelétricas, usinas nucleares) apresentam problemas diversos como poluição (usinas termelétricas a óleo ou a carvão), dependência de matérias-primas não renováveis (óleo, carvão, gás ou urânio) e oposição do público quanto à construção e operação (usinas nucleares, térmicas a carvão e, às vezes, hidrelétricas). Nenhum destes problemas pode ser atribuído aos sistemas solares fotovoltaicos instalados em edificações, seja em áreas rurais ou urbanas. Além disso, as usinas centralizadas podem deixar um grande número de consumidores vulneráveis às quedas ou mesmo à suspensão do fornecimento de energia elétrica - o que não ocorre em sistemas fotovoltaicos descentralizados (RUTHER, 2004).

ENERGIA SOLAR l 89

9. Estudo de caso:

dimensionamento de um sistema fotovoltaico de uma pequena escola

m uma determinada escola isolada na cidade de Laguna, deseja-se dimensionar um sistema FV isolado. Esta escola tem apenas atividades noturnas no horário das 18:00 às 23:00 horas. Como ponto de partida, montaremos a seguir um quadro de cargas, onde serão descritos os aparelhos elétricos e o tempo de utilização por dia. Vamos considerar que o rendimento do conjunto é de 80%. Aparelho elétrico

Potência (W)

Tensão Nominal (V)

Tempo (h/dia)

Energia (Wh/dia)

Lâmpada

220

Lâmpada

220

Lâmpada

220

Lâmpada

220

DVD

220

150

BATERIA

111

12 V

TOTAL

Quadro 3 – Aparelhos elétricos e suas propriedades 42

PASSO 1 - ORIENTAÇÃO

O painel deverá ficar orientado para o norte _______ (não utilizar o norte magnético)

PASSO 2 - INCLINAÇÃO

Para um sistema fotovoltaico isolado, instalado em LAGUNA, a inclinação em relação à horizontal será de: 28.29° + ______° = _______ °

90 l ENERGIA SOLAR

PASSO 3 - IRRADIAÇÃO

Utilizando o programa Radiasol, indicaremos as irradiações incidentes nesta região. Inclinação

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Julh Ago Set Out Nov Dez

PASSO 4 - PAINEL

A determinação da potência do painel fotovoltaico PV, para atender o consumo da escola no período noturno. ( E/ HTOT )

P FV =

x Fcarreg

Onde: ▪▪ E – energia demandada pelas cargas diariamente (Wh/dia) ▪▪ HTOT – irradiação solar incidente no plano dos módulos FV (Wh/m2/dia) ▪▪ F carreg – fator de carregamento diário das baterias, será adotado 1,1 (10%) ▪▪ R – rendimento do conjunto de aparelhos e componentes do sistema (controlador de carga, bateria, inversor e fiação). Obs. O valor de R situa-se tipicamente entre 70 e 80% (usaremos 80%).

P FV =

(

)

x 1,1 =

KWp =

PASSO 5 - ÁREA DO PAINEL

A seguir determinaremos qual será a área que o painel irá ocupar para esta potência.

( P FV ) E FF

x 100

13 (%)

Onde : PFV – potência total do painel fotovoltaico em KWp E FF – eficiência de conversão da tecnologia fotovoltaica adotada, que em nosso caso é de13% o rendimento do módulo solar policristalino.

ENERGIA SOLAR l 91

Portanto, sabendo a potência do painel FV e a área, buscam-se os módulos necessários para atender a potência calculada. PASSO 6 - DIMENSIONAMENTO

Para dimensionar as baterias é preciso utilizar um regulador de carga e descarga, regime C20, profundidade de descarga máxima admitida de 50% numa temperatura de 25° C e fator de segurança 10%. 1. Consumo em Ah/dia =__________ Ah/dia 2. Capacidade preliminar não ajustada = 1) x 2dias =_________ Ah 3. Cap. ajustada em função máxima prof. de descarga = 2) / 50% =_________Ah 4. Cap. ajustada em função máx. prof. de desc. diária =1) / 20% =_________Ah 5. Capacidade ajustada em função máxima prof. de desc. = maior valor entre 3) e 4) 6. Cap. ajustada em função do fator de segurança = 5) + 10% =______+_____ 7. ________Ah

INVERSOR DE ______________W

Portanto, deveremos utilizar para esta escola______ baterias de______ Ah, ou apenas____________ bateria de_____________Ah ▪▪ Consumo da carga desejada em ampères hora por dia. ▪▪ Dias predeterminados com chuva. ▪▪ Determina-se, para que a bateria descarregue, apenas 50%. ▪▪ Determina-se para descarga de 20%. ▪▪ Coloca-se um fator de segurança de mais 10%.

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10. Considerações finais

eletricidade é considerada um componente vital para o desenvolvimento econômico. Historicamente percebemos que as nações industrializadas de hoje são aquelas que estabeleceram uma exploração massiva de energia fóssil. Esta exploração foi acompanhada de rápidos benefícios econômicos pela presença ampla de fontes energéticas a baixos custos (inicialmente). No entanto, atualmente os efeitos da exploração dos combustíveis fósseis parece afetar o ambiente e o clima de várias regiões do planeta. Do ponto de vista da sustentabilidade, a energia solar apresenta vantagens e desvantagens. No que se refere aos aspectos ecológicos, a radiação solar é vantajosa por apresentar fonte abundante e renovável, mas apresenta a desvantagem de utilizar componentes tóxicos e/ou raros em suas composições mais baratas. Quanto aos aspectos de sustentabilidade econômica, a energia solar avançou nas últimas décadas com a redução dos custos de produção. No entanto, estes custos ainda não apresentam o patamar necessário para o aproveitamento solar em escala ampla. A utilização da energia solar apresenta a vantagem de permitir a geração de eletricidade ou a melhoria do conforto térmico em regiões isoladas. Também é uma vantagem a possibilidade de reduzir custos com a utilização de energia de sistemas públicos. Sua principal desvantagem está relacionada à dificuldade de acesso a esta tecnologia enfrentada por comunidades pobres em muitas áreas do mundo. No momento presente, existem desafios relacionados à exploração da energia solar como fonte limpa, renovável e acessível às diferentes regiões do mundo. Do ponto de vista técnico, Sen (2007) destaca alguns apontamentos das pesquisas científicas mais recentes para os desafios específicos que podem permitir a expansão futura da energia solar: » » desenvolvimento de coletores de baixas e altas temperaturas; » » utilização de equipamentos fotovoltaicos e fibras óticas para exploração e distribuição de energia elétrica a longas distâncias; » » a combinação de energia solar e água para produção de gás hidrogênio. Ruther (2004) destaca a possibilidade de desenvolvimento de filmes fotovoltaicos mais delgados com pequenas quantidades de materiais semicondutores, baixas quantidades de energia necessária para sua produção, elevado grau de automação industrial (reduzindo riscos de acidentes químicos) e maior eficiência na conversão de energia solar em eletricidade. Este último aspecto é economicamente relevante

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porque a energia solar contém menos energia do que outras fontes. Por isso, a redução de custos de produção de painéis solares fotovoltaicos é fundamental para disseminação desta tecnologia. (RUTHER, 2004). O uso termal da energia solar é interessante em áreas onde existe o abastecimento de energia elétrica porque permite a redução do consumo individual de eletricidade, reduzindo a pressão sobre o sistema público. Pode ainda ser utilizado em regiões frias não abastecidas oficialmente para melhorar o conforto térmico de moradias e áreas de criação de animais. Já o aproveitamento da energia solar para geração de eletricidade oferece campos de usos muito mais amplos. A geração de energia elétrica a partir da tecnologia fototermal ou fotovoltaica de forma individual pode abastecer áreas desprovidas deste serviço, melhorar as condições de vida em áreas rurais, reduzir custos com energia convencional em áreas urbanas e ainda contribuir para geração de energia elétrica do sistema público com o excesso de geração. Para as nações em desenvolvimento, a disponibilidade de energia é ainda mais crítica do que para os países industrializados. A busca de novas fontes pode permitir que tais países não repitam o modelo de desenvolvimento baseado na utilização de combustíveis fósseis, mas consigam estabelecer novas matrizes voltadas para sustentabilidade. Os governos atuais de diferentes países têm a responsabilidade de estimular novas fontes energéticas para suprir suas demandas de forma mais equilibrada. Este estímulo diz respeito a políticas públicas, principalmente, mas estes governos enfrentam dificuldades para formulação de suas políticas de sustentabilidade, e sem tais políticas os aproveitamentos solares ainda apresentam desvantagens competitivas quando comparados às fontes fósseis. As políticas públicas de incentivo à utilização da energia solar precisam apoiar o desenvolvimento de mercados para estimular os investimentos privados. Os surgimentos de mercados podem aumentar a disponibilidade de postos de trabalhos relacionados direta e indiretamente. Para tanto, é possível aplicar taxas “amigáveis” e metas de curto, médio e longo prazo para aumentar o consumo nacional de eletricidade proveniente de fontes renováveis, como a solar. Além destas políticas públicas, os governos podem ainda estimular a parceria do poder público com o privado para desenvolver a produção de eletricidade a partir da matriz solar. Somente com o aumento da visibilidade da fonte solar, a redução dos riscos de investimentos em longo prazo, o estabelecimento de objetivos nacionais e regionais, a redução de tarifas, a existência de financiamentos e o estabelecimento de normas regulatórias, a utilização da radiação solar como fonte de energia elétrica será competitiva.

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