Artigo Energia Solar

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ENERGIA SOLAR: AQUECEDOR SOLAR E CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Matheus Augusto de Souza¹
Vinicius Magalhães Pereira²
RESUMO
O presente artigo apresenta informações históricas a respeito da utilização da energia solar ao longo dos anos na sociedade moderna. Além de apresentar algumas formas que o homens encontraram de captar a energia luminosa proveniente do sol e transforma-la em alguma forma utilizável, seja diretamente para aquecimento de água e como transformar a luz solar através de células fotovoltaicas em energia elétrica.
Palavras-Chave: Células Fotovoltaicas, Energia Solar, Aquecedor Solar
ABSTRACT
This article presents historical information about the use of solar energy over the years in modern society. Besides presenting some ways that, men found to capture light energy from the sun and turn it into some usable form, either directly for heating water and how to transform sunlight through photovoltaic cells for electricity.
Palavras-Chave: Photovoltaic Cells, Solar Energy, Solar Heater
1 – INTRODUÇÃO
O sol é uma fonte de energia renovável, o aproveitamento deste potencial energético, se mostra como fonte de calor e luz como será apresentada no presente artigo. A energia solar, é uma ótima fonte para a obtenção de energia, sendo esta considerada uma forma limpa, uma vez que não há poluição em sua obtenção e deve ser mais aproveitada no presente milênio, para substituir as antigas formas de obtenção de energia. 
A aplicação de células fotovoltaicas para geração de energia no Brasil é bastante favorável, uma vez que em qualquer parte do território brasileiro se consegue bons índices de insolação ao longo de todo o ano. Esta forma de geração elétrica é muito favorável a regiões afastadas e não eletrificadas, podendo dar qualidade de vida a população.
Será mostrado também como são constituídas as células fotovoltaicas e os coletores solares, assim também como são constituídos e seu funcionamento, além de analisar o aquecedor solar com os princípios da Mecânica dos Fluidos.
2 – ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
2.1 – Breve Histórico
O fenômeno físico que permite a conversão de energia solar em energia elétrica foi verificada pela primeira vez pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel, em 1839 onde constatou uma diferença de potencial quando placas metálicas, de platina ou prata eram mergulhadas em um eletrólito quando exposto a luz. Em 1876 foi montado o primeiro aparato fotovoltaico resultado de estudos das estruturas no estado sólido.
Em 1904 Albert Einstein descreveu o fenômeno fotovoltaico, por sua explicação teórica ele recebeu o prêmio Nobel em 1921.
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¹ Acadêmico do 3º período de Engenharia Mecânica; RA 24656; 
² Acadêmico do 1º período de Engenharia Mecânica; RA 28389; 
Impulsionadas pelas novas descobertas da microeletrônica, em 1956 foram construídas as primeiras células fotovoltaicas industriais.
O elevado custo na sua fabricação inviabilizava sua utilização prática a não ser em aplicações especiais, como sistema autônomo de fornecimento de energia elétrica para satélites. Neste caso o custo não era um fator limitante e as características de confiabilidade e de baixo peso, tornaram as células fotovoltaicas a maneira mais conveniente e segura de gerar eletricidade no espaço.
Em estações remotas de telecomunicações foram empregadas células fotovoltaicas para o fornecimento de energia elétrica, devido a comprovação das suas características e desempenho no espaço.
Com a crise do petróleo 1973, a preocupação em estudar novas formas de produção de energia fez com a utilização de células fotovoltaicas não se restringisse somente para programas espaciais, mas que fosse intensamente estudados. 
Um dos fatores que impossibilitava a utilização da energia solar fotovoltaica em larga escala era o alto custo das células fotovoltaicas. Em razão disso foram estudados a utilização de novos matérias, em particular o silício multicristalino (em vez de cristais únicos de silício, monocristais, muito mais caros de produzir). Outra inovação particularmente importante do ponto de vista de redução de custo foi a deposição de contatos por serigrafia em vez das técnicas tradicionais: a fotolitografia e a deposição por evaporação em vácuo. O resultado de todos estes avanços foi a redução do custo da eletricidade solar de 80 $/Wp para cerca de 12 $/Wp em menos de uma década. (ANTÓNIO M. VALLÊRA)
Em 1978 a produção chegou a 1 Mwp/ano.Com uma maior escala de produção e pesquisas em novas tecnologias e novos materiais, os custos das células começaram a diminuir. Após 15 anos a produção já chegava a 60 Mwp/ano. Em 1998 a produção mundial previa algo em torno de 100 Mwp¹.
Com a ampliação dos mercados e várias empresas voltadas para a produção de células fotovoltaicas, o preço tem reduzido ao longo dos anos podendo ser encontrado hoje, para grandes escalas, o custo médio de US$ 8,00/W.
Atualmente, os sistemas fotovoltaicos vêm sendo utilizados em instalações remotas possibilitando vários projetos sociais, agropastoris, de irrigação e comunicações. As facilidades de um sistema fotovoltaico tais como: modularidade, baixos custos de manutenção e vida útil longa, fazem com que sejam de grande importância para instalações em lugares desprovidos da rede elétrica.
¹ Mwp – mega watt pico (condição máxima de potência)
2.2 – Efeito Fotovoltaico
O efeito fotovoltaico, é capaz de gerar de forma direta eletricidade a partir da energia solar, este efeito foi verificado pela primeira vez pelo físico francês, Alexandre Edmond Becquerel em 1839.
O efeito fotovoltaico ocorre em materiais encontrados na natureza e são chamados de semicondutores, que tem por característica a presença de bandas de energia onde é permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra “vazia” (banda de condução). Quando os fótons da luz solar incidem sobre este material excitam elétrons da banda de valência enviando-os a banda de condução. A energia presente nos fótons é transferida para os átomos liberando estes elétrons com alta energia. Uma barreira consegue impedir que estes elétrons retornem a sua posição anterior podendo-se direciona-los para um circuito elétrico, gerando-se uma tensão e uma corrente elétrica.
O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. O silício puro não possui elétrons livres, consequentemente é um mal condutor de elétrons. Para mudar esta característica é utilizada uma técnica, chamada de dopagem. Esta técnica consiste em acrescentar porcentagens de outros elementos. A dopagem com Fósforo, obtém-se um material com elétrons livres, ou seja um material com carga negativa (conhecido então como silício tipo N). Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de elétrons e é denominado dopante n ou impureza n.
Figura 2.1. Corte transversal de uma célula fotovoltaica
Ao realizar novamente o processo anterior, mas agora com Boro, obtém-se um material com falta de elétrons livres ou seja material com carga positiva (conhecido como silício tipo P). Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição, fazendo com que o buraco se desloque.
A célula fotovoltaica é composta por uma camada de material tipo N junto a uma camada de maior espessura do material tipo P. Separadas essas camadas são eletricamente neutras. Quando unidas na região PN forma-se um campo elétrico devido aos elétrons livres presentes no silício tipo N ocuparem os vazios da estrutura do silício tipo P.Ao incidir luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons chocam-se com outros elétrons da estrutura do silício fornecendo-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado pela junção P-N, os elétrons são orientados e fluem da camada “P” para a camada “N”.
Figura 2.2. Efeito fotovoltaico na junção pn
Utilizando-se de um condutor externo, ligando a camada negativaà positiva, gera-se um fluxo de elétrons. Enquanto a luz incidir na célula, este fluxo de elétrons será mantido. A intensidade da corrente elétrica gerada varia na mesma proporção conforme a intensidade da luz incidente. 
Uma célula fotovoltaica não armazena energia elétrica. Apenas mantém um fluxo de elétrons estabelecidos num circuito elétrico enquanto houver incidência de luz sobre ela. Este fenômeno é denominado “Efeito fotovoltaico”.
	Tipo de célula
	Eficiência (%)
	Custo
	
	
	
	
	Teórica
	Laboratório
	Comercial
	(US$/Wp}
	Silício de cristal simples
	30
	24,7
	12 a 14
	4 a 7
	Silício concentrado
	27
	28,2
	13 a15
	5 a 8
	Silício policristalino
	25
	19,8
	11 a 13
	4 a 7
	Silício amorfo 17,0
	13
	4 a 7
	3 a 5
	
Tabela 2.1 Eficiência de conversão e custo de células solares
Fonte: GREEN, M. A. et al. Solar cell efficiency tables: version 16. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, Sydney, v. 8, p. 377-384, 2000.
3 – ENERGIA SOLAR TÉRMICA
3.1 Breve Histórico
No caso da Energia Térmica, estamos interessados na quantidade de energia que um determinado corpo é capaz de absorver, sob a forma de calor. A utilização dessa forma de energia implica em captá-la e armazená-la. Os equipamentos mais difundidos com o objetivo específico de se utilizar a energia solar foto térmica são conhecidos como coletores solares.
Os coletores solares são aquecedores de fluidos (líquidos ou gasosos). O fluido aquecido é mantido em reservatórios termicamente isolados até o seu uso final (água aquecida para banho, ar quente para secagem de grãos, gases para acionamento de turbinas, etc.).
Os coletores solares planos são, hoje, são amplamente utilizados para aquecimento de água em residências, hospitais, hotéis, devido ao conforto proporcionado e a redução do consumo de energia elétrica.
Em 1767 um cientista suíço chamado Horace-Bénédict de Saussure observou que em ambientes fechados e com vidros se tornavam cada vez mais quentes a medida que o sol incidia sobre o mesmo. Então o cientista começou a fazer uma serie de experimentos, um de seus experimentos consistia em colocar 5 caixas de vidro de tamanhos crescentes uma dentro da outra e leva-la ao sol.
Após algumas horas, Saussure percebeu que a caixa externa possuía a menor temperatura em relação as caixas mais internas, chegando a constatar a temperatura máxima de 87,5 ºC.
Em 1896, Clarence Kemp, um inventor e industrial norte-americano patenteou um aquecedor solar de água comercial e o batizou de “Climax System”.
Nessa época a água para banho geralmente era aquecida em serpentinas que passavam por fogões à lenha e Kemp achava desagradável ter que ascender o fogão toda vez que fosse tomar uma banho.
A invenção de Kemp consistia de três tanques montados dentro de uma caixa coberta por vidro e colocada sobre o telhado da residência em sua face melhor direcionada com o Sol. Os tanques eram abastecidos com água da rede hidráulica da residência que então era aquecida pelo sol e posteriormente usada para o banho e outros fins.
Em 1908 William J. Bailey patenteou um aquecedor solar que revolucionou o modo de fazer aquecedores, já que a agua não ficava aquecida para ser utilizada a noite ou até mesmo na manhã seguinte. Bailey inventou um coletor de cobre que foi construído com bobinas de cobre e caixas. O coletor de cobre foi uma melhoria do coletor feito mais cedo, mas a única diferença foi o uso de isolamento de cobre. Os aperfeiçoamentos do invento são utilizados para a fabricação de equipamentos de hoje. O aperfeiçoamento de Bailey tornou possível então reservar por mais tempo a agua aquecida durante o dia.
 A partir de então os aquecedores se espalharam pelo mundo, como uma forma barata e ecológica de se obter agua aquecida, principalmente em regiões de clima tropical.
Os primeiros Aquecedores Solares surgiram no Brasil nos anos 70, fruto da crise do petróleo e mesclada a muito idealismo e pouco profissionalismo. Esse quadro começou a mudar nos anos 80, com a qualidade dos produtos crescendo cada vez mais e com a entrada em campo dos primeiros testes de equipamentos e as primeiras normas da ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas - específicas para o setor.
Já na década de 90, o que se viu foi um crescente profissionalismo em resposta a um mercado cada vez mais exigente e estruturado. Os equipamentos ganharam em qualidade, enquanto o preço caiu. Laboratórios especializados surgiram, bem como novas normas da ABNT.
Embora o princípio de funcionamento e os equipamentos básicos do coletor de Bailey sejam parecidos com os produtos modernos, o fato é que, através dos anos, os Aquecedores Solares ficaram bem mais baratos, muito mais leves e duráveis, além de muitas vezes mais eficientes. E é por isso que o uso do Aquecedor Solar não para de crescer no Brasil e no mundo. Até mesmo países frios, como a Alemanha, têm usado cada vez mais essa tecnologia.
3.2 – Coletor Solar
A radiação solar pode ser absorvida por coletores solares, principalmente para aquecimento de água, a temperaturas consideradas baixas sendo estas temperaturas (inferiores a 100ºC). O uso dessa tecnologia ocorre predominantemente no setor residencial, mas há demanda significativa e aplicações em outros setores, como edifícios públicos e comerciais, hospitais, restaurantes e hotéis. 
Quando os raios solares atravessam o vidro do coletor, os raios solares esquentam as aletas que são de cobre ou de alumínio. O calor passa então das aletas para os tubos que normalmente são de cobre. Assim a água que está dentro dos tubos vai esquentando e vão direto para o reservatório do aquecedor solar.
Os coletores são fabricados com matéria-prima nobre, como o cobre e o alumínio e tem cobertura de vidro liso e são instalados sobre os telhados e lajes, sempre o mais próximo ao reservatório. O reservatório térmico recebe um bom isolamento térmico. 
O número de coletores a ser usado numa instalação depende do tamanho do reservatório térmico, mas pode também variar de acordo com o nível de insolação de uma região. Para o suprimento de água quente de uma residência típica (três ou quatro moradores), são necessários cerca de 4m² de coletor
4 - PROJETO DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA SOLAR NO ESPAÇO
Atualmente, a proposta mais promissora para a geração de energia é utilização de fusão nuclear, no entanto, ainda não foi possível construir um reator que gere mais energia do que gaste. Desta forma, há outra proposta promissora, porém menos conhecida. Fala-se da captação de energia solar no espaço.
4.1 - Coleta de Energia
A ideia do sistema de coleta é por meio de um satélite geoestacionário. Segunda Nascimento (2000), satélites geoestacionários caracterizam-se por manterem uma posição fixa acima da Linha do Equador. Isso contribui para a construção de um único local de recepção, para onde o satélite sempre apontará.
Para a coleta da energia deve ser utilizadas células fotoelétricas. Essas quando atingidas por ondas eletromagnéticas são capazes de gerar eletricidade.
4.2 - Transmissão de Energia
A transmissão deve ser feita por meio de ondas eletromagnéticas. A faixa mais ideal que também é utilizada para comunicação e em radares é a das microondas, pois, dentre as outras faixas é a que possui menor interação com a atmosfera.
4.3 - Recepção de Energia
A melhor forma de recepção é utilizando-se antenas retificadoras, conhecidas também como rectena. Essas antenas pode receber e retificar uma potência de microondas para a corrente contínua, operado sem qualquer fonte de energia.
5 - O Aquecedor Solar na Mecânica dos Fluidos
Nos aquecedores solares a energia solar é convertida em energia térmica no interior dos painéis solares e transmitida para a água a qual fica armazenada no reservatório por um princípio chamado termossifão.Um termossifão é um aparelho cujo o funcionamento explica-se com as correntes de convecção naturais dos fluidos, onde o fluido mais quente tende a subir, pois tornam-se menos denso e o fluido frio tendem a descer pois são mais densos.
Este movimento só será interrompidoquando toda a água existente no sistema solar de aquecimento, esteja a uma mesma temperatura, portanto em equilíbrio térmico. Se nesta situação um certo volume de água quente é retirado para consumo, imediatamente igual volume de água, à temperatura ambiente, entra no reservatório termicamente isolado. Nesta situação o equilíbrio térmico é desfeito restabelecendo o movimento convectivo, ou seja a convecção natural, e assim por diante.
Equilíbrio Térmico: Considerando um ambiente termicamente isolado, onde são colocados corpos com temperaturas diferente, será verificado que os corpos quentes se esfriam e os corpos frios se aquecem até que após algum tempo atinjam o mesmo estado térmico. Nessa condição, todos os corpos estão em equilíbrio térmico e atingiram uma mesma temperatura. Essa lei da natureza é denominada Lei Zero da termodinâmica. No aquecedor solar percebe-se este fenômeno, uma vez que na caixa de água quente que chega do coletor solar em contato com a água fria se equilibram atingindo temperaturas iguais.
Isolantes Térmicos: Segundo Máximo e Alvarenga (2003) há alguns materiais, que na sua estrutura atômica, possuem poucos elétrons livres, responsável pela transferência de calor. Isso ocorre, por exemplo, com o isopor, a porcelana, a borracha, o vidro, o plástico, o papel, a madeira, a cortiça etc. Portanto, se usarmos qualquer um destes materiais para revestir a caixa de água do aquecedor solar, a água quente ficará aquecida por mais tempo, permitindo o banho aquecido durante a noite.
Transmissão de Calor por Convecção: Segundo Sampaio e Calçada (2005) os Líquidos e os gases não são bons condutores de calor. No entanto, eles podem transmitir calor pelo processo de convecção. Esse processo consiste na movimentação de partes do fluido dentro do próprio fluido. A água acima de 4º C, sob pressão de um atm., se expande ao ser aquecida. Ao colocarmos o aquecedor solar exposto ao Sol, a água na parte inferior do coletor ao ser aquecida, sofrerá expansão, terá sua densidade diminuída e, assim, de acordo com o Princípio de Arquimedes, subirá. A água descerá para o coletor solar, formando assim as correntes de convecção, uma ascendente e outra descendente.
6 - APROVEITAMENTO DA ENERGIA SOLAR NO BRASIL
Atualmente, no país, há vários projetos em pauta ou em operação para aproveitamento da energia solar, particularmente por meio de sistemas fotovoltaicos de geração de eletricidade. Esses que visão o atendimento a comunidades isoladas da rede de energia elétrica e ao desenvolvimento regional. Inclusive, em 1973 empresas começaram a utilizá-lo comercialmente.
6.1 - Aquecimento de água
Desde a década de 60, a tecnologia do aquecedor já vem sendo usada no Brasil.
No País, somente com aquecimento doméstico de água para banho, são gastos anualmente bilhões kWh de energia elétrica. O que torna mais complicado é o fato de que quase toda essa energia costuma ser consumida em horas específicas do dia gerando uma sobrecarga no sistema elétrico. Logo, visa-se suprir esses gastos com energia solar trazendo benefícios socioeconômicas e ambientais não somente atendendo a residências mas também a prédios públicos e comerciais.
Apesar de pouco significativos diante do grande potencial elétrico existente por outras fontes, já há vários projetos de aproveitamento da radiação solar para aquecimento de água no País. Já tem sido de fato aplicada essa tecnologia principalmente em residências, hotéis, hospitais, restaurantes industriais.
Um dos principais obstáculos para a difusão da tecnologia de aquecimento solar de água é o custo dos equipamentos, principalmente para residências de baixa renda. Porém, em função da escala de produção, dos avanços tecnológicos, do aumento da concorrência e dos incentivos do governo tende-se a redução com passar dos anos.
6.2 - Sistemas Fotovoltaicos
Existem muitos projetos nacionais de geração fotovoltaica, visto que a geração de energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico é mais eficiente do que os efeito termoelétrico. 
Os projetos de geração fotovoltaica são principalmente para o suprimento de eletricidade em comunidades isoladas e rurais e/ou isoladas das regiões Norte e Nordeste. Esses projetos atualmente atuam basicamente em quatro sistemas: bombeamento de água, para abastecimento doméstico, irrigação e piscicultura; iluminação pública; sistemas de uso coletivo, tais como para escolas, postos de saúdes; atendimento domiciliar.
Figura 4. Sistema fotovoltaico de bombeamento de água para irrigação (Capim Grosso - BA)
Fonte: CENTRO DE REFERÊNCIA PARA A ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO -
CRESESB. 2000. Disponível em: www.cresesb.cepel.br/cresesb.htm.
7 - IMPACTOS SOCIOAMBIENTAIS
Um dos entraves para a difusão dos projetos de aproveitamento da energia solar é a baixa eficiência dos sistemas de conversão de energia. Desta forma, precisaria do uso de grandes áreas para a captação de energia solar em quantidade suficiente para que tal empreendimento seja viável economicamente. E somado a essas restrições, um painel solar consome uma quantidade enorme de energia para ser fabricado. E energia para fabricação de um painel solar pode ser maior do que a energia que ele pode gerar.
8 - CONCLUSÃO
A energia solar de fato é um tipo de fonte renovável de energia e considerável como limpa. Pois seus impactos ambientais são quase nulos, principalmente quando comparada a outras fontes de energias, por exemplo, combustíveis fósseis, e que não são renováveis. A forma como pode ser aproveitada, a infinidade de projetos é bem interessante e expressivo. Consequentemente, beneficiária principalmente as comunidades isoladas da rede de energia elétrica. 
Não obstante, os problemas para o a difusão dos projetos com a aplicação da energia solar está em sua baixa eficiência energética e economicamente. Afinal, os custos para a construção de um painel solar são bem altos sendo que a quantidade de energia gerada não compensa os gastos.
 9 – REFERÊNCIAS
AGÊNCIA Nacional de Energia Elétrica - ANEEL. Energia Solar.
Disponível em <http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03-Energia_Solar(3).pdf> Acesso em 21 de junho de 2013. 
CENTRO de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito. Tutorial Solar.
Disponível em < http://www.cresesb.cepel.br/content.php?cid=321 > Acesso em 16 de junho de 2013.
RIBAS, Roberto V. Energia Renovável. Disponível em <http://www.dfn.if.usp.br/~ribas/download/Energia%20Renov%C3%A1vel.pdf> Acesso em 20 de junho de 2013.
VALLÊRA, António M. Meio Século de história Fotovoltaica. Disponível em <http://solar.fc.ul.pt/gazeta2006.pdf> Acesso em 15 de junho de 2013.
BUTTI, Ken; PERLIN John. A Golden Thread: 2500 Years of Solar Architecture and Technology. Disponível em <http://vidasolar.saomanuel.com/história-do-aquecedor-solar/> Acesso em 15 de junho de 2013.
MARIA, Caroline; COUTINHO, Diego B.; GOMES, Vinicius A. A utilização de painéis solares como forma de produzir energia limpa e renovável. Disponível em <http://essentiaeditora.iff.edu.br/index.php/BolsistaDeValor/article/download/1829/1007>. Acesso em 21 de junho de 2013.
ALARCÓN, Paulo Nolberto. Energia Solar Espacial :Uma descrição da captação, transmissão, recepção e seu funcionamento. Disponível em <http://www.webartigos.com/artigos/energia-solar-espacial-uma-descricao-da-captacao-transmissao-recepcao-e-seu-funcionamento/80206/>. Acesso em 21 de junho de 2013.
Disponível em :<http://www.cecimig.fae.ufmg.br/wp-content/uploads/2008/08/monografia-aquecedor-solar.pdf> Acesso em: 21 de junho de 2013
ALVARENGA, Carlos Alberto. Energia solar. Lavras: UFLA/FAEPE, 2001.
ACIOLI, José de Lima. Fontes de energia. Brasília: Universidade de Brasília, 1994.
COMETTA, Emilio. Energia solar. São Paulo: Hemus,1978.
PALZ, Wolfgang. Energia solar e fontes alternativas. São Paulo: Hemus,1981.