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Energia Solar

  1. 1. Energia Solar Elaborado por: Carlos Arthur de Oliveira Fernandes RA 970352 Vinícius Mendes Guaronghi RA 971753 Uma das principais características de nossa sociedade, ao menos sob um ponto de vista prático e material, é o aumento cada vez maior da demanda por abastecimento energético. Esta é a condição para a existência de nossa indústria, nossos meios de transporte e até mesmo a agricultura e a vida urbana. Enfim, é a condição para a existência de nossa sociedade como a conhecemos. Por milhares de anos a humanidade sobreviveu com base no trabalho braçal e animal. As primeiras fontes de energia inanimadas, como rodas hidráulicas e moinhos de vento, significaram um importante incremento quantitativo do regime de trabalho – ou potência – mas o salto qualitativo só se produziu a partir dos séculos XVII e XVIII. Observe a magnitude de algumas "fontes energéticas" (realizadores de trabalho) bastante comuns: Potência Observações Homem 80 W Até 300 W durante períodos. Burro 180 W Mula 370 W
  2. 2. Boi 500 W Cavalo 750 W Moinho de água 1,5 – 1,8 kW Roda de alimentação com diâmetro superior a 5 m. Moinho de vento 1,5 – 6,0 kW Moinho de vento típico. Máquina a vapor 5,2 – 7,5 kW Tipo estacionário antigo. Automóvel de 1000cc 45 – 60 kW Turbina a vapor Até 100 MW O desenvolvimento do motor de combustão interna e de diversas turbinas incrementaram tanto a potência das diversas unidades de produção como o número total de unidades existentes e, portanto, aumentaram a capacidade de produção do homem e seu consumo de combustível. O crescimento exponencial desse consumo se iniciou com a Revolução Industrial do século XVIII. Hoje em dia mais de 98% de nossa energia procede de combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás natural. Por mais importantes que sejam, as reservas de combustíveis fósseis são limitadas e, como a interrupção do consumo é praticamente impossível, o ritmo atual de exploração de tais combustíveis é insustentável. O petróleo e o carbono, além disso, são importantíssimas matérias primas para a indústria química e seu desperdício como combustível é, no mínimo, uma falta de visão. Até muito pouco tempo se dava por descartada a esgotabilidade da energia. Um homem comum simplesmente desconhecia a intrincada rede formada pela produção de combustível e a indústria que serve à sua comodidade. A divisão do trabalho, levada ao limite, foi a responsável por essa posição de puro descaso – do pensamento: "não importa de onde venha, se eu o obtenho" – que prevalecia em nossa sociedade de consumo. Não fazíamos conta do valor inerente ao que possuímos. Esta é uma das causas da alienação, da divisão entre a vida particular e a sociedade como um todo e os processos naturais dos quais dependemos. Nos últimos anos, no entanto, este quadro tem se alterado significativamente. Pessoas comuns são melhor informadas, devido à crescente eficiência dos meios de comunicação, o que gera um fortalecimento da consciência comum, quanto à necessidade da manutenção de nossas reservas esgotáveis de energia e do desenvolvimento tecnológico no setor de aproveitamento de fontes de energia alternativas. O Sol, além de fonte de vida, é a origem de toda as formas de energia que o homem vem utilizando durante sua história e pode ser a resposta para a questão do
  3. 3. abastecimento energético no futuro, uma vez que aprendamos a aproveitar de maneira racional a luz que esta estrela constantemente derrama sobre nosso planeta. Brilhando a mais de 5 bilhões de anos, calcula-se que o Sol ainda nos privilegiará por outros 6 bilhões de anos, ou seja, ele está apenas na metade de sua existência e lançará sobre a Terra, só neste ano, 4000 vezes mais energia que consumiremos. Frente a esta realidade, seria irracional não buscar, por todos os meios tecnicamente possíveis, aproveitar esta fonte de energia limpa, inesgotável e gratuita. Discutiremos, a partir deste ponto, a disponibilidade da energia proveniente do Sol, os métodos de captação desta energia e possíveis usos e aplicações. A Terra recebe energia radiante do Sol a um regime de 173x1015 W (*), emitindo uma quantidade idêntica. Esta é uma condição do equilíbrio. A emissão depende da temperatura da Terra, ou seja, a temperatura do planeta tal qual o conhecemos é a temperatura de equilíbrio na qual a admissão é igual à emissão de radiação. Assim, se a admissão mudasse por qualquer razão, a temperatura de equilíbrio também se modificaria. (*) Área projetada da Terra = (6.3x106 )2 x 3,14 = 124x1012 m2 ; Constante Solar = 1395 W/m2 ; Energia recebida = 124x1012 x 1395 = 173x1015 W Aproximadamente 30% da radiação entrante se reflete sem mudança na amplitude de onda. Cerca de 47% é absorvida pela atmosfera e pela superfície terrestre, provoca um aumento de temperatura e, em seguida, irradia-se novamente para o espaço. Apenas os 23% restantes penetram no sistema terrestre e passam a ser a força motriz de ventos, correntes, ondas, modela nosso clima e proporciona o ciclo da água. Em última instância, também será re-irradiado ao espaço. Somente 0,02% do total, ou seja 40x1012 W penetra no sistema biológico, por fotossíntese, nas plantas e em outros organismos "produtores". Uma pequena proporção da energia armazenada como energia química em plantas e tecidos de corpos animais se acumularam com durante milhões de anos, sob condições geológicas favoráveis, na forma de carvão e óleos minerais, convertendo-se em nossas reservas de combustíveis fósseis. Isto é um fato: o ritmo de formação de combustíveis fósseis (se existe) é mínimo em comparação com o ritmo de consumo. Se desejamos evitar um esgotamento de nossas reservas de combustíveis fósseis, devemos desviar o fluxo destas importantes quantidades de energia provenientes do Sol e redirigi-las para que trabalhem para nós, antes que se dissipem e sejam re-irradiadas ao espaço, como ilustra a figura abaixo Pode se distinguir, basicamente, três formas de captação de energias solar: conversão química, conversão elétrica e térmica.
  4. 4. As formas mais importantes de conversão química da energia solar são os processo foto-bioquímicos. Os organismos biológicos classificados como produtores sintetizam carbohidratos a partir de água e dióxido de carbono, absorvendo energia solar e a armazenando em forma de ligações químicas. Essa energia se dissipa através da cadeia alimentar e, em última instância é re-irradiada ao espaço. A conversão direta da energia solar em energia elétrica pode ocorrer através de dois processos: conversão termoelétrica e conversão fotoelétrica, cada um deles podendo ser realizado de diversas maneiras. Quando se aquece um eletrodo, alguns de seus elétrons adquirem suficiente energia para escapar. Converte-se em um emissor de elétrons, um cátodo. Outro eletrodo colocado próximo a este cátodo, se está suficientemente frio, receberá bem os elétrons emitidos, convertendo-se num ânodo. Se o ânodo se conecta ao cátodo mediante a um circuito que contenha uma carga externa, circulará uma corrente e poderá ser produzida ação. Uma corrente elétrica significativa, no entanto, só se pode produzir a temperaturas muito altas. Em circuitos que consistam de dois condutores diferentes, se as duas uniões se mantém a temperaturas diferentes, também será gerada uma corrente elétrica, ou uma diferença de potencial, quando uma das uniões permanece aberta. Estes "Termopares" podem igualmente ser utilizados para produzir ação útil. Quando vários deles são ligados em série, forma-se a chamada pilha termoelétrica. A união quente pode ser aquecida através de um coletor solar de placa plana. Alguns materiais semicondutores podem ser dopados com quantidades diminutas (cerca de uma parte por milhão) de outros elementos similares, mas com um elétron a mais ou um elétron a menos que o semicondutor. O primeiro é chamado semicondutor tipo N e o segundo tipo P. Por exemplo: Silício + arsênio – tipo N – um elétron a mais. Silício + boro – tipo P – um elétron a menos. Colocando-se em contato capas finas de ambos, formado um diodo, os elétrons cruzam a junta P-N quando é exposta à radiação, gerando uma corrente elétrica (ou diferença de potencial) que pode ser aproveitada. Esta é a descrição de um fotodiodo ou célula fotovoltaica. Células mono-cristalinas possuem um bom rendimento mas são muito caras. Células policristalinas são mais baratas, mas apresentam um rendimento quatro vezes menor. Os métodos de conversão térmica da energia solar se fundamentam na absorção da energia radiante por uma superfície negra. Este pode ser um processo complexo, que varia segundo o tipo de material absorvente. Envolve difusão, absorção de fótons, aceleração de elétrons, múltiplas colisões, mas o efeito final é o aquecimento, ou seja, a energia radiante de todas as qualidades (todas as amplitudes de onda) se transformam em calor. As moléculas das superfícies se excitam, ocorrendo um incremento na temperatura. O coeficiente de absorção de vários tipos de absorventes negros varia entre 0,8 e 0,98 (os 0,2 ou 0,02 restantes se refletem). Parte deste movimento molecular (ou deste calor) se transmite a outras partes do corpo por condução e parte se emite de novo ao meio ambiente mediante processos convectivos e radiantes. A emissão de calor (perda de calor) depende da diferença de
  5. 5. temperatura entre a superfície e o ambiente. Em conseqüência, à medida que se aquece a superfície, aumenta a perda de calor. Quando o regime de admissão de calor radiante é igualado ao de perda de calor, alcança-se uma temperatura de equilíbrio. Se a superfície da placa do absorvedor se cobre com uma prancha de cristal (com um espaço de ar de 20-30mm), reduz-se muito a perda de calor, sem grande redução de admissão de calor. Isto se deve a transmitância seletiva do cristal, que é muito transparente para radiações solares de alta temperatura e onda curta, mas virtualmente opaco para radiações infravermelhas de amplitude de onda maiores, emitidas pela placa do absorvedor a cerca de 100o C . A conversão térmica da energia solar e suas aplicações serão mais detalhadamente abordadas no transcorrer desta apresentação. Ante, porém, exporemos um apanhado geral das aplicações mais usuais de todos os métodos de captação acima descritos. Tratemos inicialmente dos sistemas de aproveitamento térmico (que, como já mencionamos, detalharemos mais adiante). O calor recolhido nos coletores pode destinar-se a satisfazer numerosas necessidade, desde a obtenção de água quente para o consumo doméstico ou industrial, o aquecimento de casas, escolas, fábricas, até a climatização de piscinas. Outra das mais promissoras aplicações do calor solar será a refrigeração durante as épocas mais quentes, precisamente quando há mais insolação. De fato, para obter um resfriamento é necessário um "foco quente", o qual pode perfeitamente ter sua origem em um coletor solar. Em países árabes já funcionam condicionadores de ar que utilizam eficazmente a energia solar. Aplicações agrícolas são muito amplas. Plantas de purificação ou dessalinização de água , secadores e estufas podem funcionar com uma grande economia de energia, ou mesmo sem nenhum consumo de energia. As células solares, dispostas em painéis solares já produziam eletricidade nos primeiros satélites espaciais e, atualmente, são uma solução para a eletrificação rural, com clara vantagem sobre outras alternativas. A energia elétrica obtida a partir destas células pode ser usada de maneira direta, como para se retirar água de um poço com uma bomba elétrica, ou ser armazenada em acumuladores para ser utilizada durante a noite. É possível, inclusive, inserir a energia excedente na rede geral, obtendo um importante benefício.
  6. 6. Se se conseguir que o preço de células fotovoltaicas diminua, iniciando-se sua fabricação em grande escala, é muito provável que , em pouco tempo, uma boa parte da energia consumida em países ricos em radiação solar seja proveniente de conversão fotovoltaica. Carros solares também encontram-se em desenvolvimento, apesar de sua utilização ser, ainda, inviável economicamente. Além dos carros solares, que armazenam a energia solar convertida em baterias, há também os carros híbridos, que combinam a tecnologia de conversão de energia através de células fotovoltaicas com as células de combustível (fuel cells). A energia obtida, além de poder ser armazenada em baterias, pode ser utilizada para a produção de hidrogênio (através da eletrólise da água), o qual alimentará a célula de combustível, que acionará o motor. Casas solares são, igualmente, aplicações bastante interessantes, sendo um desafio tecnológico e arquitetônico, do qual trataremos mais adiante. A partir deste ponto faremos um estudo mais minucioso dos métodos de conversão térmica da energia solar, bem como seus usos e aplicações Os captadores são a forma mais comum de captação de energia, convertem a energia solar com baixo custo e de forma conveniente. O processo geral empregado é o de efeito estufa, o nome vem da própria aplicação, em estufas, onde se pode criar plantas exóticas em climas frios, pela melhor utilização da energia solar disponível. Assim como as cores claras refletem a radiação, as cores escuras as absorvem e esta absorção é tanto maior quanto mais próximo estas estiverem da cor negra, baseado nesta propriedade é que as placas absorvedoras dos captadores planos são pintadas de preto fosco. A propriedade da superfície negra aliada à propriedade que o vidro retém de recuperar grande parte da radiação emitida pela superfície negra quando a lâmina de vidro está colocada acima da placa absorvedora, foi aproveitada para a conversão de energia radiante em energia térmica no coletor. Quando a temperatura da chapa aumenta, emite um incremento de calor na forma de luz infravermelha. O receptor preto tem as propriedades de corpo negro, alta taxa de absorção, mas também alto coeficiente de emissão para todos os comprimentos de onda. A emissão aumenta com a temperatura seguindo a lei da Quarta potência da temperatura absoluta. A luz reemitida é de comprimento de onda progressivamente mais curto e maior energia, com a elevação da temperatura do corpo negro. Isto é expresso pela lei de Wien, que pode ser escrita como:
  7. 7. sendo T a temperatura superficial do corpo negro e λ max o comprimento em que a emissão de luz atinge o máximo. O Sol emite radiação como um corpo negro cuja temperatura superficial esta por volta de 5700o C; isto corresponde a uma emissão máxima a 0,5 µ m. Um corpo negro a temperatura ambiente emite radiação com um máximo perto de 10 µ m, o que está dentro do espectro da luz infravermelha, invisível. O vidro relativamente transparente à luz visível é absorvente para a luz infravermelha emitida pela chapa negra quando evacua sua energia térmica. A luz infravermelha absorvida pelo vidro é reemitida para a chapa negra que a absorve de novo. Mais e mais calor é acumulado na chapa preta, atinge-se o equilíbrio quando a energia ganha pela absorção de luz visível é exatamente equilibrada pela perda de energia pela emissão infravermelha da chapa de vidro. Com a elevação da temperatura, o comprimento de onda da emissão infravermelha torna-se mais curto. A 200o C (473K), a radiação máxima é emitida a cerca de 6 µ m, em comparação com 10 µ m à temperatura ambiente. Finalmente, a cerca de 500o C (773 K), a maior parte da radiação seria emitida a 4 µ m, a cujo comprimento de onda o vidro é parcialmente transparente para o infravermelho. Segue-se que um efeito de estufa eficiente é possível apenas abaixo de 500o C. Porém, a menos que a concentração da radiação solar esteja combinada com o efeito de estufa, as temperaturas de equilíbrio são muito inferiores porque na prática, a temperatura de equilíbrio é ainda mais reduzida por perdas de calor da chapa negra, devido a condutividade térmica e convecção no ar. Uma variante do efeito estufa é mostrada na figura abaixo.
  8. 8. Quanto ao que concerne à emissão infravermelha, o plástico se comporta analogamente ao vidro, a emissão infravermelha é absorvida pela colméia e parcialmente irradiada de volta. O desempenho deste desenho esta relacionado com o diâmetro das células da colméia e com sua altura. Outro tipo de efeito de estufa existe, e pode ser usado independentemente ou combinado com a estufa do tipo de chapa negra / vidro comum. Este efeito se baseia em superfícies seletivas. Tais superfícies têm um elevado coeficiente de absorção na parte visível e infravermelha do espectro. Diferente do corpo negro, porém, têm um baixo coeficiente de emissão, ε = 0,02 para o infravermelho, além de um comprimento de onda de 2 µ m, aproximadamente. Logo, uma superfície seletiva sozinha, sem uma chapa de vidro aquecer-se-á à luz do Sol como uma estufa de chapa negra / vidro comum. Os revestimentos seletivos são obtidos pela deposição de películas de vários metais, por exemplo níquel negro eletrólito ou berílio; óxidos metálicos, por exemplo óxido de cobre obtido quimicamente, sobre alumínio polido, óxido de cobalto ou óxido de níquel, ou camadas de: Fe2O3, MgF2,SiO,SiN, depositadas a vapor, de modo a obter um efeito de interferência na luz. O silício e outros semicondutores, com sua alta absortância na faixa visível e transmitância no infravermelho, são também materiais seletivos. É importante combinar uma alta absortividade com uma elevada relação de absortância/emitância. Abaixo mostraremos algumas propriedades de alguns revestimentos seletivos. Película Absortância Solar α Emitância Solar ε Fator de Desempenh ε Tungstênio dentítrico 0,96 0,26 3,7 Silício sobre Prata 0,76 0,06 (773 K) 12 Níquel Negro 0,90 0,08 (573 K) 11 Cromo Negro 0,98 0,19 (573 K) 5,1 Cromo Negro sobre níquel prateado 0,93 0,19 (573 K) 4,8 Zr Ny sobre prata 0,85 0,03 (600 K) 24
  9. 9. O mecanismo nas superfícies seletivas é o seguinte: fixam-se tubos na chapa, que ficam nela integrados. Um líquido circula pelos tubos e transporta o calor ao consumidor. As chapas receptoras com os tubos são montados num material com baixa condutividade térmica. Na prática este desenho é muito ineficiente, por causa da perda de calor para o ar ambiente em contato com a chapa aquecida. Portanto uma chapa de vidro é sempre usada, porque não só irradia de volta metade da radiação térmica, mas também isola a chapa aquecida da convecção aérea. O novo dispositivo atinge 150o C, se nenhum calor for dele extraído. Seu desempenho pode ser aperfeiçoado ainda eliminando a maioria das perdas devidas a convecção aérea, se o ar entre a chapa de vidro e a chapa de absorção for evacuado, a temperatura de regime constante pode elevar-se ainda mais. Que eficiência poderia ser atingidas com coletores de chapa plana? Não há resposta simples para esta pergunta, pois há toda uma faixa de rendimentos, dependendo não só do parâmetros do projeto, mas também da intensidade da luz e das condições climáticas, temperatura mínima da demanda, taxa de extração do calor, e outros. Uma outra complicação é que o rendimento de um dado coletor não é constante ao longo do dia: assim como uma sala não aquecida que inicialmente requer um calor extra antes de atingir uma temperatura constante, o coletor inteiro, isto é, o vidro, o absorvedor de metal e o isolamento à sua volta, bem como o ar que encerra, tem de ser aquecidos pelo Sol da manhã, depois de uma noite fria. Portanto, todos os coletores solares operam com saída máxima à tarde, quando a inércia térmica do sistema foi vencida. Em operação normal, o rendimento global de um coletor de chapa plana, η c, de qualquer coletor térmico solar pode ser expresso como o produto de um rendimento
  10. 10. óptico η o e de um rendimento de acumulação térmica, η t. O rendimento óptico é, em primeira aproximação, independente da temperatura de operação do sistema e da intensidade de luz, mas depende do ângulo de incidência da luz. O rendimento de acumulação térmica, por outro lado, é função da temperatura do sistema e da intensidade da luz. O desempenho de um dado coletor de calor depende muito de sua localização. Nas regiões onde a maior parte do tempo a intensidade solar é adversamente afetada por nuvens, neblinas, e outros tipos de absorção atmosférica, o rendimento médio pode ser substancialmente inferior aos climas ensolarados; pode mesmo mostrar-se impraticável o uso do aquecimento solar durante parte do ano. Em qualquer caso, o uso dos coletores solares exige um dimensionamento cuidadoso, levando em consideração pormenores das condições climáticas do local do usuário. Isto demanda medidas precisas do perfil da intensidade solar durante dias, semanas e anos. As aplicações domésticas dos captadores se mostram presentes em aquecimento de água sanitária, aquecimento de piscinas e de ambientes. O aquecimento de água sanitária é bem simples, geralmente constituído por tubos, por onde a água passa, próximos ao coletor. A circulação da água através do coletor é garantida pelo efeito de termo-sifão, provocado pela convecção por gravidade, ou seja, havendo Sol, o fluído aquecido no coletor se desloca para cima, pois sua densidade é inferior à do fluído não aquecido. No circuito estando fechado, o fluído quente por sua vez é substituído pelo frio que, então, é aquecido no coletor e se desloca para cima. A circulação continuará esquentando o
  11. 11. coletor que continua sob a ação da radiação do Sol. A velocidade da circulação aumenta com a intensidade da insolação. Para garantir uma produção permanente de água quente, inclusive nos períodos ‘sem Sol’, é preciso associar um sistema convencional de aquecimento de água ao sistema solar, ou seja, o coletor sozinho não é um aquecedor completo; é preciso adicionar a ele uma tubulação, uma bomba de circulação e sobretudo um sistema de aquecimento auxiliar, convencional. O aquecimento de piscinas se dá por um coletor solar separado. O coletor é instalado à volta da piscina como uma grade. O próprio coletor pode ser muito simples, consistindo de uma folha pintada de negro, encerrada em plástico. A água da piscina é alimentada ao coletor por uma bomba, podendo ser a mesma bomba do filtro, e então passa pela frente e pela traseira da chapa antes de voltar à piscina. Uma superfície aproximadamente igual a da piscina, no coletor, é precisa para elevar a temperatura da água de 1o C. Quando falamos de aquecimento de ambientes, lembramos de casas solares, que não são uma idéia nova. As primeiras foram construídas na década de 30 nos EUA (casas solares do Massachusetts Institute of Technology) e a partir da década de 60 na Europa, sendo a primeira em Odeillo. Bom, como no caso do aquecimento de água sanitária, temos o problema da armazenamento térmico, afinal durante o dia, quando a energia é captada, é o período de menos necessidade, se não tivermos um sistema que conserve esta energia em forma de calor em nosso fluído, de nada adianta o sistema se quando mais necessitamos dele ele não nos atende. O processo pelo qual o fluído guarda a energia nada mais é do que o dado pela simples equação de calorimetria que aprendemos no colegial.
  12. 12. Nosso Q é medido em Cal (calorias), m em g (gramas), ∆ θ é nossa variação de temperatura (K) e o c é o calor específico, ele dá a capacidade de armazenamento de energia em forma de calor da substância, por isso é dado em Cal/g.K, na água este valor é 1. Além dos coletores, precisamos de outros meios que nos permitem armazenar esta energia durante a noite. Estes sistemas compreendem: 1. Um sistema de transferência de calor para evacuar o calor solar do coletor (tubulação). 2. Um armazenamento térmico. 3. Um sistema de regulagem. Nos climas temperados, em nenhum caso é possível renunciar a um aquecimento convencional de apoio integrado ao sistema de aquecimento solar. Sem armazenamento , como já visto, o sistema solar forneceria aquecimento somente nas horas de maior radiação, quando não se tem real necessidade. O objetivo deste, portanto, é de, defasando a transferência de energia solar, garantir sua distribuição à noite e nas manhãs de céu nublado, quando o aquecimento é necessário. Podemos armazenar isto de duas formas: uma é aquecer uma massa conveniente de qualquer substância, a quantidade de calor armazenada segue a equação acima exposta, dependendo da massa, variação de temperatura e da substância, se o isolamento do local de armazenamento é suficiente, o calor pode ser usado ulteriormente quando o material de armazenamento entra em contato com o fluído assim como água ou ar, agindo como meio de transferência; a segunda forma é se explorar as mudanças de fase que se produzem em todas as substâncias. Para tomar o exemplo da água, quando o gelo a 0o C é transformado em água a mesma temperatura, o calor fornecido é equivalente ao que foi necessário a esta mesma massa d’água para aumentar sua temperatura de 0 a 80o C. Abaixo mostraremos características de algumas substâncias particularmente adaptadas ao armazenamento de calor. Substância Ponto de Fusão Calor específico (Cal/g. K) Densidade (Kg/m3 ) Capacidade de armaze térmico (kWh/m3 ) (kWh/103 Kg Calor Sensível Água - 1 1000 58 (± 50o C) 58 (± 5
  13. 13. Aço Basalto - - 0,12 0,2 7900 2960 54 (± 50o C) 35 (± 50o C) 6,9 (± 12 (± 5 Calor Latente Cera de parafina Na2S2O2. 5H2O Sais fundidos (NaNO3) 38o C 49o C 265o C 0,7 0,4 0,38 890 1460 2250 53 (± 0o C) 115 (± 0o C) 496 (± 360o C) 60 (± 0 68 (± 0 220 (± Calor de dissociação MgClH2O↔ MgCl+ H2O 190 Reação Reversível PbO2↔ Pb0 +1/2O 640 A cera de parafina e o sal de Glauber (Na2SO4.10 H2O) são substâncias usuais cuja a mudança de fase oferece uma possibilidade de armazenamento térmico, em geral a vantagem deste processo utilizando o calor latente (mudança de temperatura) é a economia de volume de armazenamento, por exemplo para uma mesma capacidade calorífica, um armazenamento com o sal de Glauber teria um volume duas vezes menor que um de água; contudo existem as desvantagens também: uma o preço, o sal de Glauber é infinitamente mais caro que a água, outra que o armazenamento com ele apresenta sérias dificuldades em razão de sua forte predisposição à segregação. Escolhe- se, pois, de preferência, um sistema a água. Conta-se correntemente de 0,06 a 0,12 m3 de água de armazenamento por m2 de coletor instalado.
  14. 14. Uma grande abordagem neste assunto esta na maneira de se integrar diferentes componentes a um sistema operacional. Este problema comporta vários aspectos, nem todos de natureza técnica. De início integram-se os coletores térmicos às casas, o que levanta problemas de ordem arquitetônica, técnica e social. Nos países industrializados e em desenvolvimento, há resistência contra a construção de casa de concreto, geométricas, fora das áreas urbanas. Os coletores solares devem, então, ser integrados harmoniosamente num estilo aceitável de arquitetura, mesmo ao custo de desempenho reduzido. Na prática, isto nem sempre é fácil, particularmente se o coletor é negro e deve ser usado na face sul (isto no hemisfério norte) ou na norte (hemisfério sul) de uma casa solar, a face sul – pelo menos nos climas frios – é onde a maioria das janelas é normalmente colocada. Isto causaria um problema estético e faria com que as pessoas evitassem tal casa. Para minimizar estes problemas, as tendências são coletores coloridos e coletores instalados em telhado extensos, assim evitando a obstrução parcial ou completa das paredes sul das construções.
  15. 15. Estreitamente relacionado com o problema arquitetônico é a escolha do conceito técnico, desenho e dimensionamento do sistema de aquecimento de ambiente. As casa com aquecimento solar podem ser desenhadas de acordo com numerosos conceitos diferentes originando-se em todas as combinações possíveis dos componentes básicos. A figura acima mostra o princípio das casas solares mais antigas, construídas em Washington, em 1959. A faixada sul é quase totalmente tomada por um coletor solar ligado a um circuito de água. A água fria é bombeada para a entrada no topo do coletor. Após aquecimento, a água flui para o tanque de armazenamento ou alicerce, que é cercado por 50 toneladas de pedra. Num segundo circuito, uma ventoinha força o ar para o tanque de armazenamento, onde circula à volta de pedras aquecidas e é então liberado para o espaço habitável. Um sistema auxiliar de aquecimento é disposto para injetar água quente, sempre que a radiação solar for insuficiente. Pode-se fazer modificações no projeto de casa solar apresentado. Por exemplo, o tanque de armazenamento poderia ser isolado termicamente, e o circuito secundário de ar, eliminado. Ao invés disto, o espaço habitável seria aquecido por um circuito secundário de água conectado à caixa d’água, como num sistema convencional de aquecimento central. O circuito primário de água não pode ser usado diretamente, pois a água é esfriada no coletor sempre que há radiação insuficiente; o fluxo de água no circuito primário deve, claro, ser interrompido nessas horas. Numa Segunda modificação do desenho básico, os materiais de mudança de fase poderiam ser integrados ao tanque de armazenamento, de modo a reduzir seu volume e as perdas de calor. Uma mudança mais fundamental poderia ser conseguida eliminando- se completamente a água, trocando-a pelo ar como meio de transferência no circuito
  16. 16. primário, isto é, o circuito do coletor. O calor poderia ser armazenado nas pedras ou em substâncias de mudança de fase como o sal de Glauber. Há certos problemas com as casas solares, o clima, o fator isolamento. Durante os três meses de verão, quando a demanda é quase nula, a radiação é máxima, ao passo que no inverno, a situação fica invertida. Ocorre imediatamente a idéia de armazenar no verão uma parte do excesso de calor para utilizá-lo durante os meses de inverno. Mais da metade da demanda global relativa ao aquecimento de ambientes se produz durante os meses de inverno: dezembro, janeiro e fevereiro, no hemisfério norte. Para armazenar esta quantidade de calor no verão, seria preciso um volume de armazenamento de 500 m3 , se o armazenamento é feito com água. 500 m3 representam, tomando por exemplo uma casa de 1975 em Havre, com um volume de 290 m3 (116 m2 de superfície), quase o dobro do volume da casa! E o que é pior, seria preciso um reservatório perfeitamente isolado termicamente, o que não é possível executar, atualmente. A única solução possível é captar o calor durante os meses de inverno, para o uso imediato. Mas na região considerada, recebem somente 6,5% da radiação anual, pois no inverno, a insolação é freqüentemente alterada por céu encoberto. Uma redução na radiação solar diminui o rendimento do coletor. No mês mais desfavorável o sistema de aquecimento solar da casa escolhida como exemplo só fornecia 3% da demanda de aquecimento. Seria preciso teoricamente uma área de 1500 m2 de coletores para fornecer a energia requerida para esse mês. Uma tal área é praticamente impossível para uma residência só e seria demasiado cara. É preciso, pois, deixar de lado a idéia de se basear totalmente na energia solar para o aquecimento de ambientes, ao menos nos climas desfavoráveis, nos meses de inverno. Todas as casa solares já construídas possuem uma instalação auxiliar elétrica ou a óleo para o aquecimento. Conclui-se, então, que as tentativas de construção de casas ‘superisoladas’ ou de ‘energia zero’ resultaram em fracasso, pois demonstra-se impossível o aquecimento a 100% por energia solar no inverno. Perante os custos elevados das casas solares clássicas, os técnicos sentiram a necessidade de abandonar as partes anexas de uma casa solar ativa, bomba de circulação, encanamento, armazenamento líquido, que aumentam consideravelmente seu custo. A figura abaixo mostra o princípio da casa solar passiva.
  17. 17. Uma fachada sul serve a um tempo para absorção e armazenamento. Constitui-se de uma parede espessa de piche e um vidro colocado de modo a deixar um espaço para a circulação de ar. O ar é aquecido pelo Sol e introduzido no interior da casa por efeito de termossifão. O calor absolvido pelo ar é disponível para uso imediato. Uma parte do calor penetra na parede onde está armazenada, se bem que a superfície interior da parede reemite um pouco de calor. O tempo do calor necessário ao calor para atravessar a parede depende da condutividade térmica da pedra, da diferença de temperatura entre as superfícies exteriores e interiores da parede e da espessura da parede. A condutividade térmica da pedra é vizinha de 2Wm-1 K-1 . O que significa que no caso de um metro de espessura, é preciso de uma hora para que 100 Wh atravessem uma parede de 1 m2 de superfície, mantendo a 50 o C a diferença de temperatura entre as duas faces da parede. A espessura da parede pode ser escolhida de modo que a maior parte do calor chegue à face interior da parede após o pôr do Sol. Sua simplicidade e, por conseguinte, seu custo relativamente baixo dão interesse ao que se chama, na literatura anglo-saxônica, ‘parede Trombe’. Finalmente, o termo ‘casa solar passiva’ significa um conceito arquitetônico global bem engendrado. Pode-se dizer que é preciso reunir à casa seu ambiente solar natural de maneira ótima no plano energético e estético.
  18. 18. Assim, trata-se de deixar entrar pelas janelas uma quantidade máxima de luz nos climas frios, e mínima nos climas quentes, dar uma capacidade de armazenamento inerente às paredes e outros elementos construtivos, associar, onde for possível, plantas, uma estufa ou jardim de inverno à parede onde há calor com o exterior. O Sol ocupou as mais diferentes posições – de deus a centro de nosso sistema planetário – na história da humanidade, mas o homem sempre reconheceu sua inegável importância e beleza. Neste final de milênio, voltamos novamente nosso olhares ao Sol, atentos para mais uma de suas iminentes posições: a de fonte alternativa de energia para nosso futuro. Sabemos que nossas reservas de combustíveis fósseis se esgotarão e devemos nos preparar para isso, aprendendo a manusear a energia que o Sol lança gratuitamente em nosso planeta. Os métodos de captação e conversão de energia solar, atualmente, apresentam um rendimento muito aquém do teoricamente possível. Os preços dos equipamentos necessários para a substituição de um sistema convencional de obtenção de energia por um sistema que transforme a energia radiante proveniente do Sol ainda tornam, na maioria dos casos, esta opção inviável ou desinteressante. Devemos trabalhar para reverter esta realidade, desenvolvendo a tecnologia deste setor, a fim de alcançar o máximo rendimento possível em seus equipamentos, tornando o seu uso viável.
  19. 19. Atualmente existem varias aplicações, algumas dais quais apresentamos nesta exposição, ainda que muito brevemente, devido a grande variedade e complexidade dos assuntos. Esperamos com isso incentivar o uso e o aprimoramento dos métodos apresentados, assim como a pesquisa acerca de novas maneiras de aproveitamento da energia solar. Bibliografia 1. Energia Solar y Edificacion; Szokolay, S. V., Editorial Blume, 1978. 2. Energia Solar e Fontes Alternativas; Palz, Wolfgang , Hemus Livraria Editora Limitada, 1981. Imagens • Figuras: digitalizadas a partir das figuras da referência [2]; • Fotos: -Comptons Interactive Encyclopedia, 1995; - New Grolier Multimedia Encycloedia, Release 6, 1993; - Internet.

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