A energia irradiada pelo sol é a fonte de quase toda energia disponível ao homem, seja como energia vital ou força motriz e de transformação na execução de tarefas cotidianas. No nosso ecossistema, através de diversos ciclos naturais, a radiação solar é convertida em diversos outros tipos de energia. Mas, corriqueiramente, o termo "Energia Solar" só é utilizado para expressar as formas de aproveitamento da radiação solar direta. As formas de aproveitamento indireto, que se valem do aproveitamento de energia produzida em sistemas, processos ou fenômenos que têm a radiação solar como fonte primária, geralmente são referidas de forma específica:
Eólica - energia cinética das massas de ar provocadas pelo aquecimento desigual na superfície do planeta. Além da radiação solar também têm participação na sua formação fenômenos geofísicos como: rotação da terra, marés atmosféricas e outros. Os cata-ventos e embarcações a vela são formas bastante antigas de aproveitamento. Os aerogeradores modernos de tecnologia recente têm se firmado como uma forte alternativa na composição da matriz energética de diversos países
Biomassa - a energia química, produzida pelas plantas na forma de matéria orgânica através da fotossíntese - processo que utiliza a radiação solar como fonte energética - é distribuída e armazenada nos corpos dos seres vivos graças a grande cadeia alimentar, onde a base primária são os vegetais. Plantas, animais e seus derivados são biomassa. Sua utilização como combustível pode ser feita das suas formas primárias ou derivados: madeira bruta, resíduos florestais, excrementos animais, carvão vegetal, álcool, óleos animal ou vegetal, gaseificação de madeira, biogás etc.
Hidroenergia - energia cinética das massas de água dos rios, que fluem de altitudes elevadas para os mares e oceanos graças a força gravitacional. Este fluxo é alimentado em ciclo reverso graças a evaporação da água, elevação e transporte do vapor em forma de nuvens, naturalmente realizados pela radiação solar e pelos ventos. A fase se completa com a precipitação das chuvas nos locais de maior altitude. Sua utilização é bastante antiga e uma das formas mais primitiva é o monjolo e a roda dágua. A hidroenergia também pode ser vista como forma de energia potencial; volume de água armazenada nas barragens rio acima. As grandes hidrelétricas se valem das barragens para compensar as variações sazonais do fluxo dos rios e, através do controle por comportas, permitir modulação da potência instantânea gerada nas turbinas.
FORMAS DE APROVEITAMENTO DA RADIAÇÃO SOLAR DIRETA
Aplicações térmicas são aquelas onde a forma de energia necessária ao processo final é o calor. A conversão térmica da radiação solar é a que apresenta maior rendimento, além de ser a mais direta, simples e barata. Nela a radiação solar é transformada em calor pelo efeito térmico da absorção de superfícies escuras ou seletivas.
Em aplicações de baixa temperatura, até 150º C, geralmente são utilizados coletores planos ou caixas de efeito estufa sem concentradores. Para aplicações que exijam temperaturas de trabalho mais elevadas, acima de 150º C, o uso de concentradores é imperativo. Os concentradores são dispositivos focais tais como lentes, refletores cônicos, cilíndricos, parabólicos ou conjuntos de espelhos que, através da concentração dos raios solares num foco definido, permitem a obtenção de temperaturas da ordem de até 3.000º C. Nessa configuração, devido a seletividade do ângulo de incidência imposta pelos concentradores, apenas a radiação direta é aproveitada, sendo bastante sensível ao alinhamento com a posição do sol, exigindo a adoção de mecanismo de seguimento. Céu nublado ou ensombramentos também são fatores de acentuada redução no seu rendimento, limitando seu uso a locais de bom índice de insolação e condições climáticas.
Já nos sistemas de coletores planos e caixas de efeito estufa todos os tipos de radiação incidentes - direta, difusa e refletida - são aproveitados. A produção para estas configurações, varia quase que proporcionalmente ao índice de radiação total, garantindo uma operação satisfatória mesmo em dias nublados e de baixa insolação e tornando seu uso bem mais abrangente. Também dispensam dispositivos de segmento do sol, bastando para sua operação, uma correta orientação geográfica e valores de ângulo de inclinação em relação ao plano horizontal compatíveis com a latitude
APLICAÇÕES TÉRMICAS MAIS DIFUNDIDAS
Aquecimento dágua - O aquecimento dágua tem ampla utilização na vida moderna seja para banho, piscinas, higienização de roupas e alimentos, processos industrias ou outros. Os aquecedores dágua solares apresentam diversos atrativos como: vida útil longa, simplicidade, baixa manutenção, rápido retorno do investimento e maior segurança em relação a outros sistemas. Seu uso representa grande economia no consumo elétrico ou de combustíveis. Devido aos valores moderados de temperatura de saída exigidos, tais sistemas funcionam com coletores planos, o que caracteriza simplicidade construtiva e aplicabilidade nas mais variadas regiões. A configuração destes sistemas é semelhante aos demais sistemas centralizados com acumulação, onde um reservatório térmico (boiler) armazena a água aquecida, garantindo água quente nos períodos sem radiação. Para períodos longos de chuva ou nublados, oferecem , suporte elétrico afim de garantir um conforto contínuo. A indústria brasileira já produz sistemas de excelente qualidade e vem crescendo a passos largos. Concessionárias de energia elétrica têm apostado no incentivo à utilização de aquecedores dágua solares como forma de aliviar os problemas causados pelo uso do chuveiro elétrico: o incremento no pico de demanda.
Destiladores - Os destiladores solares por efeito térmico são propostos principalmente para obtenção de água potável a partir de água com alto teor salino. Os modelos básicos se valem de efeito estufa para evaporação da água e sua simplicidade permite uma construção artesanal sem muito refinamento. Conforme o Boletim L.E.S., a UFPB, na década de 70, fez vários trabalhos de pesquisa com destiladores solares mostrando sua validade para abastecimento de pequenas comunidades no semi-árido, ou em unidades domésticas. Apesar de reconhecer que o seu custo comparada a outras formas de obtenção de água destilada era superior, o boletim do L.E.S. mostra que poderiam ser obtidos preços bem mais baixos com o desenvolvimento de materiais que substituíssem o vidro. Infelizmente, pelo que sabemos, não houve tal progresso e a disseminação dos destiladores não ocorreu. Atualmente, os programas governamentais para dotação de água potável em comunidades rurais têm adotado os dessalinizadores de osmose reversa alimentados por energia fotovoltaica e, os destiladores solares por efeito térmico parecem ter perdido ainda mais o pouco da atenção que lhe era dispensada.
Secagem de frutas e grãos - A secagem de produtos agrícolas tem uma grande aplicabilidade, sendo processo obrigatório para vários tipos de colheita tais como café, chás, tabacos etc. e também como forma de garantir a conservação de alimentos. Os processo mais utilizado ainda é a secagem ao ar-livre que também se vale da radiação solar, mas de maneira primitiva e carregada de problemas pela exposição dos produtos a poeira, chuva, ataques de insetos, roedores etc. Os secadores solares podem representar grande melhoria na qualidade destes produtos, principalmente em relação a higiene. A aplicação se estende também a desidratação de frutas, carnes e peixes. O Brasil é apontado como um dos países que mais desenvolveu a tecnologia dos secadores solares. Dentre os modelos desenvolvidos encontra-se dois grandes grupos o de exposição direta e indireta. Nos de exposição direta os alimentos ficam expostos numa caixa de efeito estufa com fundo preto.
Para alimentos que não devem ser expostos diretamente a radiação solar, foram desenvolvidos os modelos de exposição indireta onde coletores planos aquecem o ar que circula em circuito aberto através da caixa onde os alimentos são inseridos. A circulação de ar tanto pode ser forçada como natural, no entanto quando for necessário utilizar controle de umidade e temperatura o uso da circulação forçada é imperativo.
Alguns pesquisadores destacam que o apoio de outra fonte para cobrir períodos longos de chuva, como imprescindível, afirmando que a construção de secadores 100% solares foi causa de descrédito em vários programas de disseminação de secadores solares devido a perda de produtos em tais períodos. Certamente o apoio de outra fonte não seria fator muito onerante, já que como país tropical seu uso seria muito pouco requeridoPara alimentos que não devem ser expostos diretamente a radiação solar, foram desenvolvidos os modelos de exposição indireta onde coletores planos aquecem o ar que circula em circuito aberto através da caixa onde os alimentos são inseridos. A circulação de ar tanto pode ser forçada como natural, no entanto quando for necessário utilizar controle de umidade e temperatura o uso da circulação forçada é imperativo.
Alguns pesquisadores destacam que o apoio de outra fonte para cobrir períodos longos de chuva, como imprescindível, afirmando que a construção de secadores 100% solares foi causa de descrédito em vários programas de disseminação de secadores solares devido a perda de produtos em tais períodos. Certamente o apoio de outra fonte não seria fator muito onerante, já que como país tropical seu uso seria muito pouco requerido.
Cozinha - Uma aplicação térmica das mais simples é o fogão solar. Os modelos conhecidos utilizam concentradores e ou efeito estufa. Apesar de muito simples, os fogões solares enfrentam restrições de uso, que só pode ser feito durante o dia, em períodos de céu limpo e em locais de boa insolação. A necessidade de manuseio ao ar livre é um inconveniente.
Na década de 70, pesquisadores da UFPB chegaram a desenvolver alguns modelos. A economia de lenha no cerrado era um apelo bastante pertinente, mas que não conseguiu sensibilizar o poder público e os modelos desenvolvidos infelizmente não perderam a condição de protótipos.
Recentemente um projeto social adotou fogões solares no semi-árido nordestino como umas das linhas de trabalho. Trata-se da fábrica comunitária de fogões solares de Uiraúna-PB. Fruto de um intercâmbio entre a Paróquia local e Jovens Católicos da Alemanha, o empreendimento tem produzido um modelo de fogão solar tipo concentrador, que tem mostrado alguma aceitação. Também, o prof. Arnaldo Moura Bezerra, ex-pesquisador da UFPB, através de um trabalho independente continua desenvolvendo em João Pessoa melhorias em modelos concebidos por ele.
Calefação - Em algumas regiões, principalmente as sub-tropicais, o aquecimento do ambiente é sempre desejável. Existem vários tipos de arranjos e dispositivos para o aproveitamento da radiação solar em aquecimento ambiente de residências. O maior problema citado é que os períodos de maior demanda não podem ser atendidos devido a baixa radiação disponível.
Refrigeração por ciclo de absorção e adsorção - Tanto a refrigeração por absorção como por adsorção, já são conhecidas a bastante tempo e em ambas a principal característica é a utilização de fonte de calor para seu funcionamento. A por ciclo de absorção tem sido muito cogitado ultimamente, principalmente em aplicações de co-geração para fornecimento integrado de energia e refrigeração em industrias e shopping centers.
O LES-UFPB construiu um refrigerador por adsorção, usando carvão ativado como adsorvente e metanol como refrigerante, capaz de produzir até dez quilos de gelo por dia. Há citações que afirmam que dentro de dez anos teremos a refrigeração ambiente solar competitiva a nível comercial. Um grande atrativo é que as variações da disponibilidade da energia solar, em geral, acompanham as de necessidade de refrigeração.
· Campo de heliostatos e receptor tipo torre
Destiladores - Os destiladores solares por efeito térmico são propostos principalmente para obtenção de água potável a partir de água com alto teor salino. Os modelos básicos se valem de efeito estufa para evaporação da água e sua simplicidade permite uma construção artesanal sem muito refinamento. Conforme o Boletim L.E.S., a UFPB, na década de 70, fez vários trabalhos de pesquisa com destiladores solares mostrando sua validade para abastecimento de pequenas comunidades no semi-árido, ou em unidades domésticas. Apesar de reconhecer que o seu custo comparada a outras formas de obtenção de água destilada era superior, o boletim do L.E.S. mostra que poderiam ser obtidos preços bem mais baixos com o desenvolvimento de materiais que substituíssem o vidro. Infelizmente, pelo que sabemos, não houve tal progresso e a disseminação dos destiladores não ocorreu. Atualmente, os programas governamentais para dotação de água potável em comunidades rurais têm adotado os dessalinizadores de osmose reversa alimentados por energia fotovoltaica e, os destiladores solares por efeito térmico parecem ter perdido ainda mais o pouco da atenção que lhe era dispensada.
Secagem de frutas e grãos - A secagem de produtos agrícolas tem uma grande aplicabilidade, sendo processo obrigatório para vários tipos de colheita tais como café, chás, tabacos etc. e também como forma de garantir a conservação de alimentos. Os processo mais utilizado ainda é a secagem ao ar-livre que também se vale da radiação solar, mas de maneira primitiva e carregada de problemas pela exposição dos produtos a poeira, chuva, ataques de insetos, roedores etc. Os secadores solares podem representar grande melhoria na qualidade destes produtos, principalmente em relação a higiene. A aplicação se estende também a desidratação de frutas, carnes e peixes. O Brasil é apontado como um dos países que mais desenvolveu a tecnologia dos secadores solares. Dentre os modelos desenvolvidos encontra-se dois grandes grupos o de exposição direta e indireta. Nos de exposição direta os alimentos ficam expostos numa caixa de efeito estufa com fundo preto.
Para alimentos que não devem ser expostos diretamente a radiação solar, foram desenvolvidos os modelos de exposição indireta onde coletores planos aquecem o ar que circula em circuito aberto através da caixa onde os alimentos são inseridos. A circulação de ar tanto pode ser forçada como natural, no entanto quando for necessário utilizar controle de umidade e temperatura o uso da circulação forçada é imperativo.
Alguns pesquisadores destacam que o apoio de outra fonte para cobrir períodos longos de chuva, como imprescindível, afirmando que a construção de secadores 100% solares foi causa de descrédito em vários programas de disseminação de secadores solares devido a perda de produtos em tais períodos. Certamente o apoio de outra fonte não seria fator muito onerante, já que como país tropical seu uso seria muito pouco requeridoPara alimentos que não devem ser expostos diretamente a radiação solar, foram desenvolvidos os modelos de exposição indireta onde coletores planos aquecem o ar que circula em circuito aberto através da caixa onde os alimentos são inseridos. A circulação de ar tanto pode ser forçada como natural, no entanto quando for necessário utilizar controle de umidade e temperatura o uso da circulação forçada é imperativo.
Alguns pesquisadores destacam que o apoio de outra fonte para cobrir períodos longos de chuva, como imprescindível, afirmando que a construção de secadores 100% solares foi causa de descrédito em vários programas de disseminação de secadores solares devido a perda de produtos em tais períodos. Certamente o apoio de outra fonte não seria fator muito onerante, já que como país tropical seu uso seria muito pouco requerido.
Cozinha - Uma aplicação térmica das mais simples é o fogão solar. Os modelos conhecidos utilizam concentradores e ou efeito estufa. Apesar de muito simples, os fogões solares enfrentam restrições de uso, que só pode ser feito durante o dia, em períodos de céu limpo e em locais de boa insolação. A necessidade de manuseio ao ar livre é um inconveniente.
Na década de 70, pesquisadores da UFPB chegaram a desenvolver alguns modelos. A economia de lenha no cerrado era um apelo bastante pertinente, mas que não conseguiu sensibilizar o poder público e os modelos desenvolvidos infelizmente não perderam a condição de protótipos.
Recentemente um projeto social adotou fogões solares no semi-árido nordestino como umas das linhas de trabalho. Trata-se da fábrica comunitária de fogões solares de Uiraúna-PB. Fruto de um intercâmbio entre a Paróquia local e Jovens Católicos da Alemanha, o empreendimento tem produzido um modelo de fogão solar tipo concentrador, que tem mostrado alguma aceitação. Também, o prof. Arnaldo Moura Bezerra, ex-pesquisador da UFPB, através de um trabalho independente continua desenvolvendo em João Pessoa melhorias em modelos concebidos por ele.
Calefação - Em algumas regiões, principalmente as sub-tropicais, o aquecimento do ambiente é sempre desejável. Existem vários tipos de arranjos e dispositivos para o aproveitamento da radiação solar em aquecimento ambiente de residências. O maior problema citado é que os períodos de maior demanda não podem ser atendidos devido a baixa radiação disponível.
Refrigeração por ciclo de absorção e adsorção - Tanto a refrigeração por absorção como por adsorção, já são conhecidas a bastante tempo e em ambas a principal característica é a utilização de fonte de calor para seu funcionamento. A por ciclo de absorção tem sido muito cogitado ultimamente, principalmente em aplicações de co-geração para fornecimento integrado de energia e refrigeração em industrias e shopping centers.
O LES-UFPB construiu um refrigerador por adsorção, usando carvão ativado como adsorvente e metanol como refrigerante, capaz de produzir até dez quilos de gelo por dia. Há citações que afirmam que dentro de dez anos teremos a refrigeração ambiente solar competitiva a nível comercial. Um grande atrativo é que as variações da disponibilidade da energia solar, em geral, acompanham as de necessidade de refrigeração.
A OBTENÇÃO DE FORÇA MOTRIZ DIVERSA
Para se obter energia mecânica para tarefas específicas como bombeamento dágua, irrigação, moagem de grãos etc. As duas formas de obtenção mais comuns são: obtenção de eletricidade por painéis fotovoltaicos e posterior alimentação de um motor elétrico ou, através da conversão térmica e alimentação de um motor de ciclo térmico.
Na década de setenta, a SOFRETES, Francesa, chegou a desenvolver e comercializar vários sistemas para bombeamento de água com ciclo solar térmico. Uma dessas bombas foi instalada no LES/UFPB, em João Pessoa, em 1975. (2)
Na década de setenta, o Professor Nicanor de Azevedo Maia, desenvolveu no Rio Grande do Norte um motor térmico solar de ciclo inédito. Seu trabalho foi publicado em algumas revistas, mas não conseguiu apoio para continuar o empreendimento. Atualmente, os sistemas fotovoltaicos têm se firmado como melhor opção, inclusive, em alguns casos, concorrendo com vantagens com fontes convencionais.
A OBTENÇÃO DE ELETRICIDADE
Conversão termoelétrica indireta - Utiliza o efeito da termoconversão para obtenção de calor e acionamento de uma máquina térmica, geralmente um motor de ciclo Stirling, Rankine ou Brayton. O motor é utilizado para acionar um gerador elétrico convencional. Existem várias combinações usuais entre termoconversão e motor utilizados, com resultados variados. Por uma questão de eficiência, os sistemas de termoconversão utilizam, em sua grande maioria, coletores com concentradores. São as seguintes configurações as mais utilizada.· Campo de heliostatos e receptor tipo torre
· Concentrador cilindro-parabólico
· Concentrador disco-parabólico
Para todas já existe um conhecimento bastante adiantado e a literatura aponta vantagens e limitações que se alternam em função de fatores como potência da planta. Os custos ainda são superiores aos sistemas convencionais. Sistemas sem concentradores, utilizando coletores planos também foram utilizados para pequenas unidades na década de setenta, mas apresentavam baixo rendimento com tamanho e custo excessivos.
Uma configuração bastante diferenciada, é a das piscinas solares de gradiente salino. Estas piscinas reproduzem o fenômeno de inversão térmica observada em alguns lagos, onde, de modo adverso ao habitual, a temperatura das camadas inferiores se apresentam com temperatura mais elevadas que as camadas superiores. Essa ocorrência se dá em leitos com profundidades entre 1 e 2 m, onde exista uma disposição diferenciada do gradiente salino - partindo de uma baixa concentração, na superfície, até quase a saturação, junto ao fundo - devido a proporcionalidade entre a concentração de sal e a densidade, esse arranjo inibe o movimento de convecção e sendo a água má condutora, todo o calor produzido no fundo fica aprisionado na camada inferior, chegando a atingir valores de temperatura próximos a 100º C.
A obtenção de eletricidade é possível através da conversão termoelétrica indireta. Essa montagem apresenta rendimentos globais baixos, são indicados valores em torno de 1%, mas, oferece a vantagem de funcionar em regime contínuo dispensando sistemas adicionais de armazenamento. Nelas a massa de água armazena naturalmente o calor produzido nos períodos de radiação permitindo o funcionamento regular nos intervalos sem sol.
Conversão termoelétrica direta - Vários fenômenos conhecidos, permitem que a energia solar seja convertida diretamente em eletricidade. Os dispositivos mais citados são o gerador termoelétrico e o termiônico. Apresentam a vantagem de não possuírem partes móveis, mas têm rendimento muito baixo. Segundo Wolfgang Palz(1), os termoelétricos já encontraram uso prático como fontes autônomas para estações de telecomunicações, mas, alimentados com combustível.
Conversão fotovoltaica - Os princípios da conversão fotovoltaica são conhecidos a bastante tempo. Mas seu uso só se intensificou após 1958 com os programas espaciais, onde as fotocélulas obtiveram bastante êxito como fonte de energia em satélites, dominando totalmente essa aplicação. Instalações terrestres se seguiram e atualmente os painéis fotovoltaicos são bastante difundidos.
A OBTENÇÃO DE ENERGIA QUÍMICA
A energia solar pode ser aplicadas sistemas que produzam diretamente energia química. Os trabalhos de pesquisa neste sentido, mais citados, são:
· Produção de hidrogênio através de fotólise da água por células eletroquímicas especiais alimentadas por energia de painéis fotovoltaicos.
· Produção de hidrogênio ou gás metano através de sistemas biológicos, como cita Adir M. Luiz(4) referindo-se ao trabalho do cientista Melvin Calvin "Em algumas plantas, as condições de fotossíntese podem se alterar de modo que o processo admita a produção de H², estes processos ainda estão em fase inicial de pesquisas."
A obtenção da energia química a partir da energia solar possui um grande atrativo que é representado pelas vantagens inerentes aos combustíveis:
· A grande densidade energética
· Facilidade de distribuição e de transporte
· Boa adequação à aplicação nos transportes
· Permitir armazenamento sem degradação por longos períodos, compensando variações sazonais de produção.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) PALZ, Wolfgang. Energia Solar e fontes alternativas. São Paulo: Hemus Livraria Editora Ltda, 1981.
2) BEZERRA, Arnaldo Moura. Aplicações Térmicas da Energia Solar. 4ª ed. João Pessoa: Editora UFPB, 2000.
3) FRAIDENRAICH, Naum & Lyra, Francisco. Energia Solar fundamentos e tecnologias de conversão heliotermoelétrica e fotovoltaica. Recife: Editora Universitária da UFPE, 1995.
4) LUIZ, Adir M. Como Aproveitar a Energia Solar. São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda, 1985.
5) COMETTA, Emilio. Energia Solar utilização e empregos práticos. São Paulo: Editora Hemus Editora Ltda.
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