ENERGIA SOLAR TÉRMICA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA – CESNORS/FW
DEPTO. DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS E AMBIENTAIS
CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL E SANITÁRIA
ENERGIAS ALTERNATIVAS
ENERGIA SOLAR TÉRMICA
Andressa D’Agostin
Andressa G. Glusczak
Jéssica Bonai
Jéssica Stefanello Cadore
Natalia Blos Ribeiro
INTRODUÇÃO
“A energia é essencial para que se atinjam os objetivos econômicos, sociais e ambientais interrelacionados ao desenvolvimento sustentável. As Mas, para alcançar esta importante meta, os tipo de energia que produzimos e as formas como utilizamos terão que mudar. Do contrário, danos ao meio ambiente ocorrerão mais rapidamente, a desigualdade aumentará e o crescimento econômico global será prejudicado.
(UNDP World Energy Assessment: Energy and Challenge of Sustainability)
INTRODUÇÃO
O uso da energia solar vem crescendo em suas diversas alternativas de aproveitamento: térmica a baixas temperaturas, térmica a altas temperaturas e fotovoltaica, tanto para aplicações rurais isoladas quanto para o uso urbano interconectado à rede elétrica.
INTRODUÇÃO
BRASIL: aproveitamento da energia solar mostra potencialidades de aplicação tanto na geração de eletricidade diretamente quanto para o aquecimento de água.
INTRODUÇÃO
Para fins de aquecimento de água para banho, por exemplo, é uma outra aplicação com interessante desdobramento tanto do ponto de vista de redução da demanda de ponta do sistema elétrico brasileiro – na medida em que a maior disseminação desta tecnologia permite deslocar os tradicionais chuveiros elétricos utilizado no banho de boa parcela da população brasileira – quanto do ponto de vista do atendimento energético a comunidades isoladas e excluídas energeticamente.
APLICAÇÕES PRÁTICAS DA ENERGIA SOLAR
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APLICAÇÕES DA ENERGIA SOLAR TÉRMICA
Problemas de redução do consumo de energia elétrica setor residencial brasileiro = aproveitamento da energia solar térmica → solução técnica e economicamente viável.
Potencial brasileiro de conservação de energia no aquecimento de água é bastante significativo, apontando a aplicação, em larga escala, dos aquecedores solares como uma saída extremamente viável e competitiva.
EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA NO BRASIL
Década de 70 = início do mercado → crise do petróleo;
Primeiros anos: forte idealismo dos empreendedores + total desconhecimento sobre rendimento e durabilidade dos produtos comercializados no país;
Anos 80 = pouco crescimento, mas maior profissionalização e surgimento de normas (restritas à eficiência térmica dos coletores);
Normas não apresentavam ainda nenhum ensaio específico sobre durabilidade ou evolução temporal de desempenho térmico.
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EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA NO BRASIL
Final anos 90 = significativo crescimento e surgimento das primeiras iniciativas de segmentação do mercado (mercado internacional).
Necessidade de criação do Programa Brasileiro de Etiquetagem de Coletores Solares Planos (INMETRO, PROCEL, PUC-MG e ABRAVA)
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CONVERSÃO SOLAR-TÉRMICA
GERAÇÃO DE CALOR
Conversão energia solar em calor = material que absorva luz → coletor: capaz de distribuir a energia radiante absorvida por graus de liberdade internos associados com a energia cinética do movimento das moléculas;
Terra e sua atmosfera são exemplos de coletores.
Graus de liberdade = conceito empregado em mecânica clássica e termodinâmica; é o número de parâmetros independentes que são necessários para se definir a posição de um corpo no espaço em qualquer instante, ou ainda, se refere à quantidade mínima de números reais necessários para determinar completamente o estado físico de um dado sistema
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CONVERSÃO SOLAR-TÉRMICA
A absorção de energia solar aumentará a temperatura do coletor ou transferir energia para um reservatório (se o coletor estiver conectado a um). O coletor também emitirá radiação e pode perder energia calorífica através de processos de condução e convecção.
O espectro da frequência da radiação emitida vai corresponder ao espectro de Planck para a temperatura Tc do coletor (se o coletor estiver em um estado que permita a definição de uma temperatura termodinâmica).
COLETORES SOLARES
Equipamento responsável pela absorção e transferência da radiação solar para o fluido de trabalho (água) sob a forma de energia térmica;
Coletores solares planos :
1) Fechados;
2) Abertos;
1) Coletores fechados
Utilizados para promover o aquecimento de água até temperaturas da ordem de 60°C;
Constituído por:
Caixa externa: fabricada em perfil de alumínio, chapa dobrada ou material plástico;
Isolamento térmico: materiais isolantes mais utilizados na indústria nacional são lã de vidro ou de rocha e espuma de poliuretano colocados na base e laterais do coletor. Função: minimizar perdas de calor para o meio;
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1) Coletores fechados
Tubos (flauta/calhas superior e inferior): tubos pelos quais o fluido escoa no interior do coletor. Normalmente, feita de cobre (alta condutividade térmica e resistência à corrosão);
Placa absorvedora (aletas): em cobre ou alumínio, é responsável pela absorção e transferência da energia solar para o fluido de trabalho;
Tintas: pintura das aletas de preto fosco = melhor absorção da energia solar;
Cobertura transparente: geralmente de vidro, policarbonato ou acrílico;
Vedação: importante para manter o sistema isento de umidade externa. 
2)Coletores abertos
Recomendados para o aquecimento de piscinas;
Operam à baixa temperatura (entre 28-30°C);
Não possuem cobertura transparente, isolamento térmico, corpo externo;
Feitos de materiais termoplásticos, polipropileno, EPDM, borrachas especiais;
Exemplo em uma piscina: 
Água da piscina → sistema de filtração → coletores solares → volta à piscina. 
Fonte: http://www.soletrol.com.br/especiais/aquecimento_de_piscinas/
Fonte: http://www.valerettoaquecedores.com.br/galeria/
sistemas solares térmicos para água quente sanitária
Finalidade para usos domésticos;
Divididos em:
Diretos;
Indiretos 
Sistemas termossifão ou circulação natural;
Sistemas compactos.
DIRETOS: ou de circuito aberto → em que a água de consumo é aquecida diretamente nos coletores solares. 
Sistemas com esquemas simples → campo de coletores diretamente conectado a um tanque (armazenamento), existe uma bomba de circulação, um sistema auxiliar alternativo e o correspondente sistema de controle → consome a água quente (parte alta do tanque) a água fresca entra no tanque por sua parte baixa e se dirige ao campo de coletores. 
Limitações: determinada pela climatologia do local e o risco associado de congelamento da água. 
sistemas solares térmicos para água quente sanitária
A maioria dos anti-congelantes de água (glicol, principalmente) são tóxicos para o consumo humano, de modo que não podem ser utilizados neste tipo de sistemas. As estratégias possíveis quando existe um risco de congelação moderado são esvaziar o campo de coletores no tanque de armazenamento (drain-back, na nomenclatura inglesa), ou manter circulando uma pequena quantidade de água no circuito de coletores. 
No momento de desenhar estes sistemas diretos deve-se ter cuidado e controlar que a pressão da água da rede possa ser aceita pelos coletores solares, e que a água não seja muito dura, para evitar excessos e incrustações calcárias. 
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INDIRETOS: ou de circuito fechado → permutador de calor (dispositivo para transferência de calor ) entre o fluído que circula pelo campo de coletores e o ACS assegura uma eficaz proteção anti-congelamento (mais usada). 
Para o bom funcionamento de um sistema indireto → desenho do permutador de calor adequado: quando o tamanho do permutador é subestimado, os coletores solares trabalham a temperaturas acimas das normais (rendimentos baixos); quando se superestima o tamanho do permutador, tem-se um sobre custo associado que não compensa a melhora no rendimento dos coletores. 
Termossifão ou circulação natural: não requerem o uso de bombas e sistemas de controle para o circuito de coletores solares. O movimento do fluído de transferência de calor dentro do circuito decoletores deve-se a menor densidade do fluído quente com relação ao frio. Neste caso o tanque deve ser colocado em uma altura acima dos coletores para permitir a convecção por diferença de densidades. A força motriz será maior quanto maior seja a diferença de densidades, isso é, a diferença de temperaturas.
SISTEMAS COMPACTOS: são os mais populares, composto por um depósito dentre 150 e 300L de capacidade e dois coletores de aproximadamente 1 m² cada um. Equipamentos disponíveis tanto com circuito aberto quanto fechado, podem fornecer 90% da necessidade de água quente anual para uma 		família de 4 pessoas, dependendo da 			radiação e do uso de água realizado. 
Orientação e inclinação dos coletores 
Devem estar localizado de modo que o equipamento solar aproveite dia a dia a radiação incidente o máximo possível. 
Preferentemente → orientados ao Sul geográfico (não Sul magnético - bússola). Para localizá-lo será observada, por exemplo, a direção da sombra projetada por uma haste vertical às doze horas ou meio dia solar. 
Ângulo de inclinação → formado pelos coletores com o plano horizontal. Os coletores deveriam inclinar-se, na medida do possível, de modo que os raios de Sol incidam perpendicularmente em sua superfície ao meio dia solar. O ângulo de inclinação exato dos coletores dependerá do uso do equipamento solar, mas sempre é próximo (10º) à latitude geográfica. Em uma cobertura inclinada costuma ser preferível utilizar a inclinação própria da cobertura, ainda que esta não seja a ideal. A consequência direta será a necessidade de uma maior superfície de captação -maior número de coletores.
RESERVATÓRIOS TÉRMICOS
Tanques utilizados para armazenar a água quente, de modo que atenda à demanda diária, mesmo fora dos horários de incidência.
Constituídos por:
Corpo interno cilíndrico: de aço inox ou cobre, termicamente isolado para minimizar as perdas de calor para o ambiente;
Capas metálicas: proteção externa;
RESERVATÓRIOS TÉRMICOS
Radiação solar intermitente = períodos nublados e chuvosos e o período noturno
Utilização de sistema de bombeamento para circulação da água entre a bateria de coletores e o reservatório térmico para instalações com capacidade superior a 1500 L.
prever forma de aquecimento auxiliar (elétrico ou a gás)
TECNOLOGIA DE FOCO LINEAR
Os sistemas de foco linear são aqueles que reorientam a radiação solar (direta), através de um sistema de concentração por espelhos, a um receptor linear situado na línea focal do sistema desta concentração. O fluído que circula pelo interior do receptor é aquecido transformando, assim, a radiação solar em energia térmica. 
1) Coletores Cilíndrico Parabólicos (CCP)
São aqueles cujo sistema de concentração tem a seção transversal de uma parábola e um foco linear em que se localiza o receptor.
O mais usado atualmente está formado por espelhos de vidro (espessura 3,5mm), com uma fina capa refletora de prata em seu lado posterior, e curvados a alto temperatura para que à baixa temperatura possam ter a forma da parábola que se espera. 
Concentrador não está formado por uma única peça de vidro, mas por várias delas que, conjuntamente, formam a parábola refletora. 
Receptor = um dos elementos fundamentais de todo CCP, já que dele depende em grande medida o rendimento global do coletor. O tubo absorvedor de um CCP possui dois tubos: um interior metálico (circula o fluído aquecido) e outro exterior de cristal (cobertura). 
1) Coletores Cilíndrico Parabólicos (CCP)
Tubo metálico/absorvente: recobrimento seletivo com elevada absortividade (>90%) em todo o espectro solar e baixa emissividade no espectro infravermelho (<30%) → elevado rendimento térmico;
Diferentes tipos recobrimentos seletivos → mais acessíveis = película de cromo, níquel ou cobalto negro (boa absortividade e emissividade moderada)
1) Coletores Cilíndrico Parabólicos (CCP)
Único inconveniente: temperaturas > 300°C fazem com que o material se degrade mais rapidamente e a emissividade aumente
Temperaturas até 550°C = recobrimentos seletivos obtidos por sputtering, PVD ou sol-gel (absortividade de 95% e uma emissividade de 15% e, inclusive, menor que 300°C).
Principal problema dos recobrimentos através de PVD ou sputtering → a maioria se degrada em contato com o ar quando estão aquecidos, de modo que requerem um alto vácuo (10-8 bar) na câmara localizada entre o tubo metálico interior e a cobertura de cristal. 
1) Coletores Cilíndrico Parabólicos (CCP)
PVD = Phesical Vapour Deposition
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Cobertura de vidro (que envolve o tubo interior metálico) = dupla missão:
proteger o recobrimento seletivo das variações meteorológicas;
reduzir as perdas térmicas por convecção no tubo absorvedor. O tubo de cristal que conforma a cobertura de vidro costuma receber um tratamento anti-reflexivo em seus dois lados (interior e exterior), para aumentar sua transmissibilidade e o rendimento óptico do coleto. 
1) Coletores Cilíndrico Parabólicos (CCP)
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2) Concentradores Lineares tipo Fresnel
Caráter híbrido = coletores cilíndrico parabólicos + sistemas de receptor central;
Criados a fim de conseguir uma tecnologia que permitisse reduzir o custo da energia de origem solar térmica;
Grau de concentração que permitem obter estes sistemas é semelhante ao dos coletores cilíndrico parabólicos = temperaturas de trabalho similares. 
2) Concentradores Lineares tipo Fresnel
Rendimento dos concentradores lineares Fresnel é menor → aproveitam uma menor fração da radiação solar direta. Inconveniente compensado pelo menor custo de investimento devido principalmente a:
Espelhos e estruturas de suporte mais leves e econômicas.
Melhor utilização do terreno (60%-70%), diante do 33% dos CCP e sistemas de torre. 
2) Concentradores Lineares tipo Fresnel
Foram concebidos pensando principalmente em utilizar a água como fluído de trabalho para a geração direta de vapor no tubo receptor. 
Para poder concentrar a radiação solar sobre o tubo absorvente, o coletor deve acompanhar o Sol durante o dia, necessitando um sistema de acompanhamento solar que vai mudando a posição do coletor, conforme muda a posição aparente do Sol no céu. Os coletores cilíndrico parabólicos podem ter acompanhamento em um ou dois eixos. Quando o acompanhamento é feito em um eixo, este pode estar orientado Norte-Sul ou Leste-Oeste. Mas qualquer orientação é possível. 
Tecnologia de foco pontual: centrais de Receptor central e Discos parabólicos
	Em aplicações que requerem altas temperaturas (superiores a 400ºC) é necessário aumentar o fluxo energético incidente sobre o receptor, bem como reduzir as perdas energéticas ao exterior.
Sistemas de receptor central ou centrais de Torre
	Torres solares operam com concentração pontual: Uma multidão de espelhos lineares, denominado heliostatos, são rastreado individualmente para concentrar os raios solares a um ponto da torre. No foco dos espelhos é montado um receptor, onde um médio de transferência como ar ou um sal especial é aquecido. Dependo dos números dos heliostatos uma taxa de concentração de 300 – 1500 é atingida, resultando em temperaturas de 150° C - 2000 °C. 	
	Em um Sistema de Receptor Central, existem quatro componentes principais:
O campo solar
O receptor
O sistema de aproveitamento da energia térmica
O sistema de armazenamento (opcional)
Sistemas de receptor central ou centrais de Torre
O Campo Solar : Está composto por muitos dispositivos chamados helióstatos e cada um está formado por uma superfície refletora suportada por uma estrutura e que coleta e reflete sobre um ponto a radiação solar direta que incide sobre ela. A radiação solar refletida por todos os helióstatos dirige-se a um ponto comum (de onde vem o nome de sistema: receptor central).
Sistemas de receptor central ou centrais de Torre
Receptor: é o lugar em que se concentra a radiação solar refletida por todos os helióstatos que compõem o campo solar, transformando-a em energia térmica para ser usada em processos posteriores. 
Sistema de aproveitamento deenergia térmica: É onde se injeta a energia térmica fornecida pelo receptor.
Sistemas de receptor central ou centrais de Torre
Sistemas de discos parabólicos
	Os discos parabólicos também operam como tecnologia de foco pontual. O espelho da geometria de disco parabólica concentra os raios solares a um ponto em frente do coletor. Lá, um receptor é montado que aquece um liquido. 
	Existem dois modos principais: o sistema central e o sistema individual: Num sistema central, um conjunto de varias discos parabólicos é conectado de tubulação para gerar eletricidade centralmente num ciclo de potência único. Mais comum é a solução individual, onde um motor de Sterling é localizado no foco do coletor. Acoplado a um gerador, eletricidade é gerado independente de outros componentes.
Sistemas de discos parabólicos
Processos industriais
Na América Latina o setor industrial possui o consumo energético mais importante - cerca de 34% do total –.
 As principais fontes de energia utilizadas na indústria foram biocombustíveis e resíduos (28% do total), gás e produtos petrolíferos (com 22% do total cada um), eletricidade (com 21%) e carvão e turba, com 6%.
Dados: Agência Internacional da Energia sobre dados de 2009
Vários projetos financiados pela Comissão Europeia (projetos POSHIP, PROCESOL I e II) verificaram o enorme potencial de aplicação da energia solar térmica na indústria, bem como a viabilidade técnica e econômica de tais aplicações a curto, médio, e longo prazo.
Tipos de energia demandadas na indústria
Energia elétrica: para motores, compressores, máquinas de frio e outros;
Energia térmica: processos metalúrgicos, aquecimento de fluidos e produção de vapor, principalmente. (Tradicionalmente fornecida por caldeiras ou pela recuperação de calor residual de outras fases do mesmo processo industrial).
 
Classificação dos processos
 Os processos industriais podem ser classificados segundo o nível de temperatura requerido de forma que este nível de temperatura determina o sistema solar térmico apropriado.
Abaixo de 250ºC: são, atualmente, economicamente rentáveis.
Setores industriais adequados: 
Alimentação, bebidas e tabaco: produtos laticínios, conservas vegetais e frutais, preparados da carne, produtos de padarias, secagem de produtos, destilarias, etc. 
Têxtil e couro: tingimentos, curtido, lavanderias, etc. 
Indústria química: cosméticos, detergentes, fármacos, etc. 
Borracha e matérias plásticas 
Classificação dos processos
Alta temperatura (acima de 400ºC): ainda que sua viabilidade técnica e econômica se encontrem em fase de pesquisa, foram desenvolvidos com sucesso numerosos projetos a escala pré-industrial (dezenas ou centenas de kW).
Setores industriais adequados:
Indústria metalúrgica 
Indústria química. 
Indústria de cerâmica. 
Produção de cimento, cal e gesso 
Fabricação de vidro. 
Tratamento de resíduos a alta temperatura 
Refrigeração e ar condicionado solar
É uma alternativa lógica dada a simultaneidade do recurso.
 Tecnologias que permitem o aproveitamento da energia gerada em um sistema solar térmico:
Sistemas térmicos de refrigeração -> ciclos fechados: resfriam a água de um circuito fechado.
Sistemas refrigeradores por evaporação dessecante -> ciclos abertos: refrigeram e desumidificam diretamente o ar a condicionar.
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exemplos
Gurgaon, Haryana, Índia
O sistema vai climatizar 13 salas usando um campo de coletores solares de 288 m2. 
Capacidade do ar condicionado: 100 kW (equivalente à potência frigorífica de 20 aparelhos convencionais de 18 mil BTUs cada).
- Tecnologia de resfriamento: de “absorção de triplo efeito” (baseda na interação de um fluido refrigerante com uma solução salina).
Tecnologia solar: de coletores parabólicos ( há a concentração dos raios solares no foco de uma parábola, permitindo obter temperaturas mais altas).
exemplos
Figura: Coletor solar parabólico usado na instalação de Gurgaon.
Fonte: http://www.solarpanelsplus.com/parabolic-trough-collectors/&usg=
exemplos
Um estudo na Suíça demonstrou a viabilidade técnica do processo de produção de cal de elevada pureza em um forno solar de alto fluxo (10kW). As estimações econômicas de uma planta de calcinação de maior tamanho (25MWth), usando um sistema solar com receptor central, indicam que o custo da cal solar produzida oscilaria entre 128 e 157$/t, [Meier, 2005], aproximadamente duas vezes o atual valor da cal convencional produzida com petróleo como fonte de energia.
Exemplos
Indústria de mineração no Chile: 
 Operativa desde novembro de 2012, a planta de propriedade da Mineração El Tesoro (do grupo Antofagasta Minerals) foi a primeira usina térmica de concentração solar a entrar em funcionamento de toda América do Sul. Trata-se de uma planta com 1280 coletores cilíndrico parabólicos PT1 da Abengoa Solar, capazes de produzir 14MWth utilizados, principalmente, para o aquecimento das soluções na planta de eletrodeposição. A planta incorpora armazenamento de energia térmica, o que permite fornecer energia térmica durante os períodos nublados e após o pôr do sol. 
 Esta planta solar permite substituir 55% do diesel utilizado tradicionalmente.
Exemplos
Armazenamento Térmico
No armazenamento de energia na forma de calor podemos considerar dois tipos de armazenamento: térmico e termoquímico.
A quantidade de calor armazenado depende do calor específico do meio, da temperatura e da quantidade de material de armazenamento. 
Os sistemas de armazenamento de calor latente são baseados no calor absorvido ou libertado quando um material de armazenamento sofre mudança de fase sólido-líquido ou líquidogasoso.
Os sistemas de armazenamento termoquímico baseiam-se na energia absorvida e libertada na quebra e formação de ligações moleculares numa reação química reversível. 
Armazenamento Térmico
Armazenamento Térmico
1. Armazenamento de energia térmico com materiais de mudança de fase
Os sistemas de energia solar térmica para aquecimento de água ou de ambiente incluem uma unidade de armazenamento de energia que possibilita o armazenamento do dia para a noite ou equivalente a alguns dias de carga térmica. Para se conseguir sistemas solares térmicos com um fração solar elevada, utilizando materiais de armazenamento de calor sensível (ex: água), são necessários volumes de armazenamento muito grandes implicando depósitos de grandes dimensões e consequentemente grandes espaços. 
Os materiais de mudança de fase (“Phase Change Materials”, PCMs) são materiais de armazenamento de calor latente que possuem densidades de armazenamento de energia térmica consideravelmente elevadas quando comparados com materiais de armazenamento de calor sensível (ex. água), sendo capazes de absorver ou libertar energia a uma temperatura constante, à qual ocorre mudança de fase.
1. Armazenamento de energia térmico com materiais de mudança de fase
	Tabela 1 – Características importantes dos materiais para armazenamento de energia (PCMs):
Os PCMs podem ser classificados em dois grupos: materiais de mudança de fase orgânicos e inorgânicos que por sua vez se dividem em subgrupos.
A utilização de PCMs orgânicos ou inorgânicos apresenta vantagens e desvantagens.
Tabela: Comparação entre materiais orgânicos e inorgânicos para armazenamento de calor 
Os materiais de mudança de fase orgânicos mais estudados até agora são parafinas. Na maioria dos casos estas são misturas de alcanos de cadeia linear CH3-(CH2)n-CH3, verificando-se um aumento no ponto de fusão e do calor latente de fusão com o aumento do comprimento da cadeia de carbonos.
Situação Mundial
Os sistemas solares térmicos são cada vez mais populares em número cada vez maior de países. Como consequência, o mercado solar térmico mundial cresceu de forma continua desde os anos 90.
A energia solar foi a fonte que mais recebeu investimentos no ano passado, com cerca de 1,5 bilhão de dólares. Europa, Ásia e América do Norte são os continentes que mais apostaramneste setor.
Situação mundial
Levantamento divulgado recentemente pela Associação Europeia da Indústria Fotovoltaica (Epia, na sigla em inglês), indicou que em 2012 a capacidade acumulada de geração de energia fotovoltaica no mundo atingiu pouco mais de 102 gigawatts (GW). Por ano, estas instalações poupam 53 milhões de toneladas de gás carbônico (CO2).
 O continente europeu ainda é o que concentra a maior capacidade de geração e representa 55% do mercado global. 
O investimento mundial em novas instalações caiu 12% em 2012, conforme o Pnuma, por causa da redução nos preços dos equipamentos. Já a capacidade de produção aumentou de 28,8 GW em 2011 para 30,5 GW em 2012. A Europa foi a única região do mundo onde a geração de energia solar diminuiu junto com o investimento: de 22,4 GW em 2011 para 17,2 GW fornecidos à rede em 2012.
Situação mundial
Situação mundial
O Brasil, ao contrário da média mundial, tem uma matriz de geração de energia elétrica que se origina em fontes predominantemente renováveis e é responsável por aproximadamente 85% da geração de eletricidade. Entretanto, há uma forte dependência da geração hidráulica, que responde por um montante superior a 76% da oferta de energia elétrica (BEN, 2013). A expansão da hidroeletricidade esbarra no fato de que o potencial hídrico brasileiro ainda não explorado encontra-se na região amazônica, o que envolve questões ambientais para o seu pleno aproveitamento.
Atualmente, mais de metade da energia térmica solar produzida em território nacional é demandada por casas e apartamentos; no mundo, o Brasil ocupa o sexto lugar no uso da energia do sol.
Apesar de possuir matriz energética basicamente oriunda de hidrelétricas, o Brasil já é o sétimo país melhor colocado no ranking mundial de geração de energia solar, com pouco mais de 5. 270 mil m2 de coletores solares instalados em 2009.
1º – China: 125 milhões de m2
 2º – EUA: 20 milhões de m2 3º – Alemanha e Turquia: 11 milhões de m2 
4º – Japão: 6.300 mil m2 
5º – Austrália: 6.100 mil m2 
6º – Brasil: 5.270 mil m2 
Situação mundial
Alemanha, 2012.
DIRETOS: ou de circuito aberto → em que a água de consumo é aquecida diretamente nos coletores solares. 
Sistemas com esquemas simples → campo de coletores diretamente conectado a um tanque (armazenamento), existe uma bomba de circulação, um sistema auxiliar alternativo e o correspondente sistema de controle → consome a água quente (parte alta do tanque) a água fresca entra no tanque por sua parte baixa e se dirige ao campo de coletores. 
Limitações: determinada pela climatologia do local e o risco associado de congelamento da água. 
sistemas solares térmicos para água quente sanitária
A maioria dos anti-congelantes de água (glicol, principalmente) são tóxicos para o consumo humano, de modo que não podem ser utilizados neste tipo de sistemas. As estratégias possíveis quando existe um risco de congelação moderado são esvaziar o campo de coletores no tanque de armazenamento (drain-back, na nomenclatura inglesa), ou manter circulando uma pequena quantidade de água no circuito de coletores. 
No momento de desenhar estes sistemas diretos deve-se ter cuidado e controlar que a pressão da água da rede possa ser aceita pelos coletores solares, e que a água não seja muito dura, para evitar excessos e incrustações calcárias. 
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INDIRETOS: ou de circuito fechado → permutador de calor (dispositivo para transferência de calor ) entre o fluído que circula pelo campo de coletores e o ACS assegura uma eficaz proteção anti-congelamento (mais usada). 
Para o bom funcionamento de um sistema indireto → desenho do permutador de calor adequado: quando o tamanho do permutador é subestimado, os coletores solares trabalham a temperaturas acimas das normais (rendimentos baixos); quando se superestima o tamanho do permutador, tem-se um sobre custo associado que não compensa a melhora no rendimento dos coletores. 
Termossifão ou circulação natural: não requerem o uso de bombas e sistemas de controle para o circuito de coletores solares. O movimento do fluído de transferência de calor dentro do circuito de coletores deve-se a menor densidade do fluído quente com relação ao frio. Neste caso o tanque deve ser colocado em uma altura acima dos coletores para permitir a convecção por diferença de densidades. A força motriz será maior quanto maior seja a diferença de densidades, isso é, a diferença de temperaturas.
SISTEMAS COMPACTOS: são os mais populares, composto por um depósito dentre 150 e 300L de capacidade e dois coletores de aproximadamente 1 m² cada um. Equipamentos disponíveis tanto com circuito aberto quanto fechado, podem fornecer 90% da necessidade de água quente anual para uma 		família de 4 pessoas, dependendo da 			radiação e do uso de água realizado. 
Orientação e inclinação dos coletores 
Devem estar localizado de modo que o equipamento solar aproveite dia a dia a radiação incidente o máximo possível. 
Preferentemente → orientados ao Sul geográfico (não Sul magnético - bússola). Para localizá-lo será observada, por exemplo, a direção da sombra projetada por uma haste vertical às doze horas ou meio dia solar. 
Ângulo de inclinação → formado pelos coletores com o plano horizontal. Os coletores deveriam inclinar-se, na medida do possível, de modo que os raios de Sol incidam perpendicularmente em sua superfície ao meio dia solar. O ângulo de inclinação exato dos coletores dependerá do uso do equipamento solar, mas sempre é próximo (10º) à latitude geográfica. Em uma cobertura inclinada costuma ser preferível utilizar a inclinação própria da cobertura, ainda que esta não seja a ideal. A consequência direta será a necessidade de uma maior superfície de captação -maior número de coletores.
RESERVATÓRIOS TÉRMICOS
Tanques utilizados para armazenar a água quente, de modo que atenda à demanda diária, mesmo fora dos horários de incidência.
Constituídos por:
Corpo interno cilíndrico: de aço inox ou cobre, termicamente isolado para minimizar as perdas de calor para o ambiente;
Capas metálicas: proteção externa;
RESERVATÓRIOS TÉRMICOS
Radiação solar intermitente = períodos nublados e chuvosos e o período noturno
Utilização de sistema de bombeamento para circulação da água entre a bateria de coletores e o reservatório térmico para instalações com capacidade superior a 1500 L.
prever forma de aquecimento auxiliar (elétrico ou a gás)
Refrigeração e ar condicionado solar
É uma alternativa lógica dada a simultaneidade do recurso.
 Tecnologias que permitem o aproveitamento da energia gerada em um sistema solar térmico:
Sistemas térmicos de refrigeração -> ciclos fechados: resfriam a água de um circuito fechado.
Sistemas refrigeradores por evaporação dessecante -> ciclos abertos: refrigeram e desumidificam diretamente o ar a condicionar.
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exemplos
Gurgaon, Haryana, Índia
O sistema vai climatizar 13 salas usando um campo de coletores solares de 288 m2. 
Capacidade do ar condicionado: 100 kW (equivalente à potência frigorífica de 20 aparelhos convencionais de 18 mil BTUs cada).
- Tecnologia de resfriamento: de “absorção de triplo efeito” (baseda na interação de um fluido refrigerante com uma solução salina).
Tecnologia solar: de coletores parabólicos ( há a concentração dos raios solares no foco de uma parábola, permitindo obter temperaturas mais altas).
exemplos
Figura: Coletor solar parabólico usado na instalação de Gurgaon.
Fonte: http://www.solarpanelsplus.com/parabolic-trough-collectors/&usg=
Processos industriais
Na América Latina o setor industrial possui o consumo energético mais importante - cerca de 34% do total –.
 As principais fontes de energia utilizadas na indústria foram biocombustíveis e resíduos (28% do total), gás e produtos petrolíferos (com 22% do total cada um), eletricidade (com 21%) e carvão e turba, com 6%.
Dados: Agência Internacional da Energia sobre dados de 2009
Vários projetos financiados pela Comissão Europeia (projetos POSHIP, PROCESOLI e II) verificaram o enorme potencial de aplicação da energia solar térmica na indústria, bem como a viabilidade técnica e econômica de tais aplicações a curto, médio, e longo prazo.
Tipos de energia demandadas na indústria
Energia elétrica: para motores, compressores, máquinas de frio e outros;
Energia térmica: processos metalúrgicos, aquecimento de fluidos e produção de vapor, principalmente. (Tradicionalmente fornecida por caldeiras ou pela recuperação de calor residual de outras fases do mesmo processo industrial).
 
Classificação dos processos
 Os processos industriais podem ser classificados segundo o nível de temperatura requerido de forma que este nível de temperatura determina o sistema solar térmico apropriado.
Abaixo de 250ºC: são, atualmente, economicamente rentáveis.
Setores industriais adequados: 
Alimentação, bebidas e tabaco: produtos laticínios, conservas vegetais e frutais, preparados da carne, produtos de padarias, secagem de produtos, destilarias, etc. 
Têxtil e couro: tingimentos, curtido, lavanderias, etc. 
Indústria química: cosméticos, detergentes, fármacos, etc. 
Borracha e matérias plásticas 
Classificação dos processos
Alta temperatura (acima de 400ºC): ainda que sua viabilidade técnica e econômica se encontrem em fase de pesquisa, foram desenvolvidos com sucesso numerosos projetos a escala pré-industrial (dezenas ou centenas de kW).
Setores industriais adequados:
Indústria metalúrgica 
Indústria química. 
Indústria de cerâmica. 
Produção de cimento, cal e gesso 
Fabricação de vidro. 
Tratamento de resíduos a alta temperatura 
exemplos
Um estudo na Suíça demonstrou a viabilidade técnica do processo de produção de cal de elevada pureza em um forno solar de alto fluxo (10kW). As estimações econômicas de uma planta de calcinação de maior tamanho (25MWth), usando um sistema solar com receptor central, indicam que o custo da cal solar produzida oscilaria entre 128 e 157$/t, [Meier, 2005], aproximadamente duas vezes o atual valor da cal convencional produzida com petróleo como fonte de energia.
Exemplos
Indústria de mineração no Chile: 
 Operativa desde novembro de 2012, a planta de propriedade da Mineração El Tesoro (do grupo Antofagasta Minerals) foi a primeira usina térmica de concentração solar a entrar em funcionamento de toda América do Sul. Trata-se de uma planta com 1280 coletores cilíndrico parabólicos PT1 da Abengoa Solar, capazes de produzir 14MWth utilizados, principalmente, para o aquecimento das soluções na planta de eletrodeposição. A planta incorpora armazenamento de energia térmica, o que permite fornecer energia térmica durante os períodos nublados e após o pôr do sol. 
 Esta planta solar permite substituir 55% do diesel utilizado tradicionalmente.
Exemplos
Armazenamento Térmico
No armazenamento de energia na forma de calor podemos considerar dois tipos de armazenamento: térmico e termoquímico.
A quantidade de calor armazenado depende do calor específico do meio, da temperatura e da quantidade de material de armazenamento. 
Os sistemas de armazenamento de calor latente são baseados no calor absorvido ou libertado quando um material de armazenamento sofre mudança de fase sólido-líquido ou líquidogasoso.
Os sistemas de armazenamento termoquímico baseiam-se na energia absorvida e libertada na quebra e formação de ligações moleculares numa reação química reversível. 
Armazenamento Térmico
Armazenamento Térmico
1. Armazenamento de energia térmico com materiais de mudança de fase
Os sistemas de energia solar térmica para aquecimento de água ou de ambiente incluem uma unidade de armazenamento de energia que possibilita o armazenamento do dia para a noite ou equivalente a alguns dias de carga térmica. Para se conseguir sistemas solares térmicos com um fração solar elevada, utilizando materiais de armazenamento de calor sensível (ex: água), são necessários volumes de armazenamento muito grandes implicando depósitos de grandes dimensões e consequentemente grandes espaços. 
Os materiais de mudança de fase (“Phase Change Materials”, PCMs) são materiais de armazenamento de calor latente que possuem densidades de armazenamento de energia térmica consideravelmente elevadas quando comparados com materiais de armazenamento de calor sensível (ex. água), sendo capazes de absorver ou libertar energia a uma temperatura constante, à qual ocorre mudança de fase.
1. Armazenamento de energia térmico com materiais de mudança de fase
	Tabela 1 – Características importantes dos materiais para armazenamento de energia (PCMs):
Os PCMs podem ser classificados em dois grupos: materiais de mudança de fase orgânicos e inorgânicos que por sua vez se dividem em subgrupos.
A utilização de PCMs orgânicos ou inorgânicos apresenta vantagens e desvantagens.
Tabela: Comparação entre materiais orgânicos e inorgânicos para armazenamento de calor 
Os materiais de mudança de fase orgânicos mais estudados até agora são parafinas. Na maioria dos casos estas são misturas de alcanos de cadeia linear CH3-(CH2)n-CH3, verificando-se um aumento no ponto de fusão e do calor latente de fusão com o aumento do comprimento da cadeia de carbonos.
Situação Mundial
Os sistemas solares térmicos são cada vez mais populares em número cada vez maior de países. Como consequência, o mercado solar térmico mundial cresceu de forma continua desde os anos 90.
A energia solar foi a fonte que mais recebeu investimentos no ano passado, com cerca de 1,5 bilhão de dólares. Europa, Ásia e América do Norte são os continentes que mais apostaram neste setor.
Situação mundial
Levantamento divulgado recentemente pela Associação Europeia da Indústria Fotovoltaica (Epia, na sigla em inglês), indicou que em 2012 a capacidade acumulada de geração de energia fotovoltaica no mundo atingiu pouco mais de 102 gigawatts (GW). Por ano, estas instalações poupam 53 milhões de toneladas de gás carbônico (CO2).
 O continente europeu ainda é o que concentra a maior capacidade de geração e representa 55% do mercado global. 
O investimento mundial em novas instalações caiu 12% em 2012, conforme o Pnuma, por causa da redução nos preços dos equipamentos. Já a capacidade de produção aumentou de 28,8 GW em 2011 para 30,5 GW em 2012. A Europa foi a única região do mundo onde a geração de energia solar diminuiu junto com o investimento: de 22,4 GW em 2011 para 17,2 GW fornecidos à rede em 2012.
Situação mundial
Situação mundial
O Brasil, ao contrário da média mundial, tem uma matriz de geração de energia elétrica que se origina em fontes predominantemente renováveis e é responsável por aproximadamente 85% da geração de eletricidade. Entretanto, há uma forte dependência da geração hidráulica, que responde por um montante superior a 76% da oferta de energia elétrica (BEN, 2013). A expansão da hidroeletricidade esbarra no fato de que o potencial hídrico brasileiro ainda não explorado encontra-se na região amazônica, o que envolve questões ambientais para o seu pleno aproveitamento.
Atualmente, mais de metade da energia térmica solar produzida em território nacional é demandada por casas e apartamentos; no mundo, o Brasil ocupa o sexto lugar no uso da energia do sol.
Apesar de possuir matriz energética basicamente oriunda de hidrelétricas, o Brasil já é o sétimo país melhor colocado no ranking mundial de geração de energia solar, com pouco mais de 5. 270 mil m2 de coletores solares instalados em 2009.
1º – China: 125 milhões de m2
 2º – EUA: 20 milhões de m2 3º – Alemanha e Turquia: 11 milhões de m2 
4º – Japão: 6.300 mil m2 
5º – Austrália: 6.100 mil m2 
6º – Brasil: 5.270 mil m2 
Situação mundial
Alemanha, 2012.
REFERÊNCIAS
SORENSEN, Bent. Renewable Energy: physics, engineering, environmental impacts, economics & planning. 4. ed. -: Academic Press, 2011.
TOLMASQUIN, Maurício Tiomno et al (Org.). Fontes renováveis de energia no Brasil. Rio de Janeiro: Interciência, 2003.
Aquecimento solar. Disponível em: http://www.riorenovavel.com/renewable-technologies/solar-energy/solar-thermal-cooling(acesso: 27/10/2014).
Ar condicionado solar. Disponível em: http://ofrioquevemdosol.blogspot.com.br/2011/07/ar-condicionado-solar-de-alta.html (acesso:27/10/2014).