Aplicações da Radiação Solar

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI
Aplicações da Radiação
Trabalho apresentado à disciplina
de Transferência de Calor.
Professor: Ênio Nazaré de Oliveira
 Componentes: 
Alessandra Brás Carvalho
Débora de Fátima Batista
João Paulo R. Simões de Souza
Ouro Branco
Julho/2014
Introdução
Radiações são ondas eletromagnéticas ou partículas que se propagam com uma determinada velocidade e energia que quando interagem com a matéria, podem produzir variados efeitos sobre ela e que se tem conhecimento por mais de 2.500 elementos radioativos artificiais e naturais. Podem ser geradas por fontes naturais ou por dispositivos construídos pelo homem. As radiações eletromagnéticas mais conhecidas são: ondas de luz, microondas, ondas de rádio, radar, laser, raios X e radiação gama. As radiações sob a forma de partículas, com massa, carga elétrica e carga magnética mais comum são os feixes de elétrons, os feixes de prótons, radiação beta e radiação alfa.
A radiação solar se propaga no vácuo de forma a atingir a superfície da Terra em comprimentos de ondas distintas. A alta capacidade energética das ondas emitidas pelo sol a baixos comprimentos de onda tem característica dual, partícula e onda. Este tipo de radiação é chamado de UVC ou VUVC. Ao longo da estratosfera (contendo O2) a luz começa a ser desviada, absorvida e refratada, por moléculas de gases e partículas suspensas. A faixa de UV que chega a superfície da Terra é pequena relacionada à quantidade emitida pelo sol. Observa-se Lambida de até 580nm na superfície terrestre. Portanto a baixa faixa energética conduz a técnicas diversificadas de aplicações como processos híbridos de fornecimento de energia. Além disso, a radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica.
Desenvolvimento
A energia solar é uma fonte energética obtida através da radiação solar. Quase todas as fontes de energia – hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar. Além disso, a radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica. Pode ainda ser convertida diretamente em energia elétrica, por meio de efeitos sobre determinados materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico e o fotovoltaico.
Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados atualmente são o aquecimento de água e a geração fotovoltaica de energia elétrica. No Brasil, o primeiro é mais encontrado nas regiões Sul e Sudeste, devido a características climáticas, e o segundo, nas regiões Norte e Nordeste, em comunidades isoladas da rede de energia elétrica.
O aproveitamento da iluminação natural e do calor para aquecimento de ambientes, denominado aquecimento solar passivo, decorre da penetração ou absorção da radiação solar nas edificações, reduzindo-se, com isso, as necessidades de iluminação e aquecimento. Assim, um melhor aproveitamento da radiação solar pode ser feito com o auxílio de técnicas mais sofisticadas de arquitetura e construção.
A conversão direta da energia solar em energia elétrica ocorre pelos efeitos da radiação (calor e luz) sobre determinados materiais, particularmente os semicondutores. Entre esses, destacam-se os efeitos termoelétrico e fotovoltaico. O primeiro caracteriza-se pelo surgimento de uma diferença de potencial, provocada pela junção de dois metais, em condições específicas. No segundo, os fótons contidos na luz solar são convertidos em energia elétrica, por meio do uso de células solares.
O primeiro se caracteriza pelo surgimento de uma diferença de potencial, provocada pela junção de dois metais, quando tal junção está a uma temperatura mais elevada do que as outras extremidades dos fios. Embora muito empregado na construção de medidores de temperatura, seu uso comercial para a geração de eletricidade tem sido impossibilitado pelos baixos rendimentos obtidos e pelos custos elevados dos materiais. 
O efeito fotovoltaico decorre da excitação dos elétrons de alguns materiais na presença da luz solar (ou outras formas apropriadas de energia). Entre os materiais mais adequados para a conversão da radiação solar em energia elétrica, os quais são usualmente chamados de células solares ou fotovoltaicas, destaca-se o silício. A eficiência de conversão das células solares é medida pela proporção da radiação solar incidente sobre a superfície da célula que é convertida em energia elétrica. Atualmente, as melhores células apresentam um índice de eficiência de 25%
	O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores ou concentradores solares. Os coletores solares são mais usados em aplicações residenciais e comerciais (hotéis, restaurantes, etc.) para o aquecimento de água (higiene pessoal e lavagem de utensílios e ambientes). Os concentradores solares destinam-se a aplicações que requerem temperaturas mais elevadas, como a secagem de grãos e a produção de vapor. Neste ultimo caso, pode-se gerar energia mecânica com o auxilio de uma turbina a vapor, e, posteriormente, por meio de um gerador.
	A radiação solar absorvida por coletores solares é geralmente utilizada a temperaturas relativamente baixas (inferiores a 100 ºC). Esse sistema de aproveitamento térmico da energia solar, também denominado aquecimento solar ativo, envolve o uso de um coletor solar discreto. O coletor é instalado normalmente no teto das residências e edificações. Devido à baixa densidade da energia solar que incide sobre a superfície terrestre, o atendimento de uma única residência pode requerer a instalação de vários metros quadrados de coletores. Para o suprimento de água quente de uma residência típica (três ou quatro moradores), são necessários cerca de 4 m2 de coletor, por exemplo. 
	O aproveitamento da energia solar aplicado a sistemas que requerem temperaturas mais elevadas ocorre por meio de concentradores solares, cuja finalidade é captar a energia solar incidente numa área muito menor, de modo que a temperatura desta ultima aumente substancialmente. A superfície refletora (espelho) dos concentradores tem forma parabólica ou esférica, de modo que os rios solares que nela incidem sejam refletidos para uma superfície bem menor, denominada foco, onde se localiza o material a ser aquecido. Os sistemas parabólicos de alta concentração atingem temperaturas bastante elevadas e índices de eficiência que variam de 14% a 22% de aproveitamento da energia solar incidente, podendo ser utilizada para a geração de vapor e, conseqüentemente, de energia elétrica. Contudo a necessidade de focalizar a luz solar sobre uma pequena área exige algum dispositivo de orientação, acarretando custos adicionais ao sistema, os quais tendem a ser minimizados em sistemas de grande porte. 
A maioria dos coletores solares tem pelo menos cinco componentes, pelo que sem estes não é possível, nem existem condições para que se consiga converter energia solar em térmica. Num coletor em contato com o ambiente existe uma cobertura transparente que poderá ter uma ou mais camadas de vidro ou um plástico criado de maneira tal que por um lado conserva o calor no interior do coletor e por outro deixa passar toda a radiação que atinge a sua superfície. No interior, tubos, canais ou até mesmo aletas no caso de aquecimento de ar, poderão estar inseridos na placa de absorção de calor do coletor ou em contato com esta, e são nestes canais que escoam a água, ar ou outros fluidos que se pretende utilizar. A placa que irá absorver a radiação normalmente é elaborada em metal com uma superfície de cor negra, aumentando assim o seu coeficiente de absorssividade. No entanto é possível utilizar uma variedade de materiais, especialmente se o coletor tem a finalidade de aquecer o ar. Costuma-se colocar uma camada de material isolante, nofundo do coletor, para minimizar as perdas por condução e convecção. Finalmente, existe uma estrutura que contêm todos estes componentes e que também tem a funcionalidade de protegê-los das adversidades climatológicas. 
Todos os componentes e materiais utilizados num coletor solar devem ser projetados de maneira a operarem nas piores condições. Devem estar preparados para suportar não só elevadas temperaturas, em períodos em que a radiação atinge valores máximos, sem que se escoe nenhum fluido nos tubos, como também para baixas temperaturas, que usualmente ocorrem no inverno. Problemas resultantes da variação cíclica da temperatura ou grandes gradientes de temperatura no interior do coletor devem ser tomados em consideração na seleção do material. Este fator é importante para a determinação do real valor de um equipamento. A maioria dos sistemas de aquecimento solar é constituído por mais do que um metal em contacto com o fluido. Os tubos que permitem a circulação do líquido podem ser de cobre ou em aço inoxidável e a placa que coleta a radiação solar incidente pode ser construída em cobre, aço inoxidável, aço temperado ou em alumínio. A presença de vários materiais nestes sistemas e devido ao contato permanente com água poderá ser um importante mecanismo para o aumento de corrosão nos coletores. O outro fator que também contribui para o aumento da corrosão é a presença de oxigênio dissolvido no fluido aquecido.
Nos sistemas de coletores solares com concentração, como o próprio nome pressupõe, terá uma ampliação da quantidade de raios que alcançarão a placa de absorção, elemento receptor de energia. Esta placa poderá apresentar diversos formatos além da usual placa plana. Dentro dos variados tipos de concentradores o mais comum é o cilíndrico. Os módulos concentradores apresentam igualmente diversos aspectos, normalmente derivado da forma de uma parábola. Os mais conhecidos são em forma de calha e perfil parabólico simples ou composto. Ao se utilizar concentradores torna-se possível a obtenção de temperaturas consideravelmente superiores aquelas conseguidas por coletores planos, sendo, portanto de uso recomendável para certas aplicações industriais.
Tipos de concentradores
2.1.1- Concentradores parabólicos Compostos (CPC)
Existem diversas abordagens possíveis para o formato dos coletores condicionadas pelo tipo de aplicação que se quer ter. O aumento da eficiência total de absorção de calor, especialmente para aplicações em que a diferença de temperaturas entre o fluido e o ambiente é elevada, é bem possível, sem que exista um aumento da complexidade e conseqüentemente dos custos do coletor. Para aplicações em que apenas são exigidos pequenos aumentos de temperatura é dada maior ênfase ao design dos coletores de maneira que o retorno de investimento seja o menor possível. Para a maioria dos esquemas de aplicação, a radiação solar deve estar concentrada de maneira a se obter elevadas temperaturas. Isto é possível de diversas maneiras, utilizando diferentes sistemas, no entanto seria consideravelmente vantajoso caso o sistema requerido fosse estacionário. Dentro da gama de concentradores solares planos existe um tipo extremamente importante e por isso muito utilizado, originalmente chamado coletor ideal cilíndrico (Ideal Cylindrical Light Colector), que foram desenvolvidos em meados da década de 70 do século XX, por Winston (1974). 
Um Concentrador parabólico é a forma bidimensional mais simples possível e consiste num sistema em que duas parábolas estão adjacentes a um dos lados das células solares. Para um determinado ângulo, uma concentração ótima é obtida. Desta forma a eficiência de absorção de radiação difusa é muito maior relativamente aos coletores normais. Os raios refletidos no lado direito da parábola são focados na base do lado esquerdo e vice-versa. Dado que as perdas térmicas são proporcionais à área do absorvedor, a concentração da radiação solar permite ter um absorvedor com menor área, para a mesma área de vidro. 
Logo como conseqüência da diminuição das perdas térmicas, é possível obter temperaturas mais elevadas com melhor rendimento. Esta é a grande vantagem em relação aos coletores convencionais. Poderão existir concentradores parabólicos compostos acoplados a um sistema que permita acompanhar a trajetória do Sol ("Tracking System"), aumentando a eficiência do coletor. Um concentrador parabólico composto fixo pode aquecer o fluido até uma temperatura média acima de 150º.
2.1.2- Coletores em espiral ou "concha"
Como o próprio nome indica, um coletor em espiral contém uma seção em espiral que impede que a radiação direta que entre no coletor seja refletida para fora. Esta é continuamente refletida até atingir a seção de absorção circular. 
Este formato foi idealizado de maneira que toda radiação refletida entre no coletor pela parte mais exposta, com o formato parabólico e que seja na totalidade captada pelo tubo de absorção, não sendo por isso possível a sua reflexão para o exterior. 
2.1.3- Coletores evacuados
Uma abordagem alternativa para a redução de perdas de calor para coletores de placa plana, nomeadamente para aplicações em que se requer água a elevadas temperaturas, tipicamente numa gama de temperaturas que varia entre os 80ºC a 150ºC, é utilizar os coletores evacuados. Nestes tipos de coletores, a luz solar atravessa a superfície de vidro exterior do concentrador sendo coletado no tubo absorvedor, transformando-se em calor. A energia calorífica é transferida para o líquido por convecção através dos tubos de absorção. Um coletor deste tipo é constituído por uma série de tubos de vidro transparente colocados paralelamente, nos quais estão inseridos os tubos de absorção revestidos com uma camada seletiva. Estes coletores têm uma característica modelar, pois pode-se adicionar ou remover tubos consoante a temperatura a que se quer a água quente.
Ao se construir os concentradores evacuados, o ar entre estes é retirado criando vácuo entre eles, eliminando-se assim perdas por convecção e condução. Poderão existir perdas por radiação, pois a energia calorífica irá ser transferida de uma superfície quente para uma superfície fria, mesmo com vácuo. No entanto estas perdas são muito pequenas e traduzem-se em pequenas conseqüências quando comparadas com a transferência de calor que ocorre entre o tubo de absorção e o líquido. 
Existem disponíveis no mercado diversos concentradores com diferentes designs. Alguns apresentam um terceiro tubo no interior do tubo de absorção ou até configurações diferentes dos tubos. Existe também disponíveis no mercado concentradores cujos tubos têm a capacidade para 19 litros cada um, evitando-se assim necessidade de um tanque de armazenamento. Refletores colocados atrás dos tubos evacuados ajudam a focar a luz solar, contribuindo para o aumento do desempenho do coletor. 
Estes coletores têm melhores eficiências do que simples coletores planos devido a uma série de razões. Uma das quais está relacionada com possibilidade de os concentradores evacuados captarem tanto radiação direta como radiação difusa, característica que combinada com o fato de o vácuo minimizar as perdas de calor para o exterior, torna estes coletores extremamente úteis em zonas de onde costuma predominar condições adversas de temperatura. A segunda razão prende-se com o formato dos coletores. Estes têm uma forma circular, o que permite captar a radiação direta durante quase a totalidade do dia, ao contrário dos coletores planos, que se encontram fixos e apenas têm radiação direta a meio do dia.
Por estes motivos estes concentradores são mais caros que um simples coletor plano. 
2.1.4- Concentradores parabólicos cilíndricos "Trough” 
Os sistemas mais simples de concentradores parabólicos são os concentradores cuja forma é cilíndrica e diferencia-se dos concentradores planos pela particularidade de concentrar a radiação incidente antes de esta chegar ao absorvedor. Estes são parabólicos somente numa dimensão e usualmente são alongados. Um concentradorparabólico cilíndrico é constituído por uma superfície espelhada encurvada de forma parabólica, que tem a função de encaminhar os raios solares para um tubo de absorção.
Neste tubo circula o fluido, aquecido por convecção natural, sendo que esta circulação é efetuada através uma bomba auxiliar. Este fluido após atravessar o absorvedor e é encaminhado para um permutador de calor, que permitir trocas de calor entre o fluido e água que se encontra armazenadas num tanque de armazenamento térmico.
A razão pela qual este concentrador é cilíndrico é simples. Uma parábola é uma curva especial descrita pela seguinte equação: 
y = Ax2 + Bx + C (Equação 1)
E tem um único ponto focal, onde se coloca a placa de absorção, pelo que toda a luz incidente é coletada nesse ponto. Usando estes sistemas parabólicos maximiza-se a razão de concentração de um coletor, aumentando por isso sua eficiência, pois toda a energia é focada somente em um único ponto. No entanto estes concentradores têm uma limitação. Um concentrador parabólico cilíndrico apenas capta radiação direta, o que, ao contrário dos restantes coletores, não permite fazer uso da radiação difusa. Entende-se por radiação direta toda a luz que atinge o refletor paralelamente ao eixo da parábola. 
De forma a minimizar a incapacidade de captar radiação difusa, é incluído neste equipamento um sistema que permite variar a posição do painel consoante à localização da fonte solar, aumentando inevitavelmente a desempenho do concentrador. No entanto, para certas condições climáticas, como é o caso do céu completamente nublado, não existe nenhuma solução que permita minimizar tal limitação, sendo por isso um fator crítico.
Para este tipo de coletores solares podem ser obtidas temperaturas acima dos 300ºC para boas eficiências. 
Esta tecnologia apenas é rentável para sistemas em grande escala (Campos de coletores), pois o investimento é relativamente elevado para a necessidade energética e potência requeridas numa pequena instalação, podendo até nunca ser amortizado. Estes campos são constituídos por muitas filas de concentradores parabólicos móveis orientados segundo a direção Norte-Sul. O princípio é sempre o mesmo, no entanto o fluido aquecido serve para gerar vapor sobre aquecido a alta temperatura (100 bar, 370ºC) que posteriormente irá alimentar uma turbina/gerador para produzir eletricidade. Depois de o fluido passar pelos permutados de calor é arrefecido e recircula novamente pelos tubos de absorção. Nestas instalações o liquido é aquecido até uma temperatura próxima dos 400ºC. Existem vários tipos de instalações deste gênero nos Estados Unidos com potência da ordem dos 14 a 80 MW. 
2.1.5- Concentradores parabólicos “Dish Collectors”. 
Este sistema de concentrador parabólico tem uma forma muito similar a um grande satélite, é constituído por uma superfície, geralmente em alumínio ou prata, depositado em vidro ou em plástico, que reflete a radiação incidente para outra superfície de absorção, menor, a que se dá o nome de Focus, pois está situado no ponto focal. 
As superfícies refletoras são extremamente baratas, podem ser facilmente limpas e têm uma durabilidade bastante aceitável. Neste aspecto e segundo os parâmetros de confiabilidade e durabilidade, os espelhos prata/vidro, após alguns testes foram aqueles que demonstraram as melhores performances, refletindo cerca de 90% a 94% da radiação incidente nos espelhos, dependendo não só da espessura dos espelhos como de outros fatores. 
A forma mais comum para estes coletores é a parabólica. No entanto foi desenvolvido outro tipo de concentradores, cuja forma é semelhante mais constituído por múltiplos espelhos de forma redonda, os quais utilizam uma técnica em que duas membranas, sendo uma delas refletiva, criam vácuo no espaço entre elas, levando a que a superfície refletiva crie uma forma esférica. A eficiência de reflexão deste tipo de espelhos é de 95%. 
O receptor térmico pode ser uma série de tubos com líquidos refrigerantes, sendo os mais usuais são hidrogênio ou hélio. Estes podem ser o meio de transferência de calor bem como podem também ser o fluido que fornece trabalho para um motor. Estes coletores têm uma razão de concentração muito elevada, tendo por isso as maiores eficiências para conversão de energia solar em energia térmica ou até mesmo em energia elétrica. Para conversão de energia solar em energia elétrica, é necessário um estágio intermédio, o qual transforma primeiramente a energia solar em energia mecânica e posteriormente em eletricidade. Este sistema consiste na colocação de um motor, e por isso se dá o nome de "Dish/Engine System", na superfície de absorção da radiação. É um sistema de elevada eficiência, autônomo e híbrido (pode funcionar a energia solar ou através combustíveis fósseis) e é caracterizado por ter uma eficiência de conversão de energia solar em eletricidade de cerca de 30%, uma das mais elevadas utilizando esta técnica de aproveitamento de energias endógenas. 
O fluido aquecido na placa de absorção é aquecido até altas temperaturas, próximas de 750ºC. No entanto nos concentradores com maiores eficiências é possível a obtenção de um fluido com uma temperatura de 1000ºC. 
De maneira a captar a radiação solar direta de maneira a concentrar o máximo de energia solar na placa de absorção, é incluído um sistema automatizado, tal como nos concentradores parabólicos cilíndricos acompanha a trajetória do Sol. A única diferença relativamente aos restantes sistemas verifica-se no curso que o concentrador percorre, visto que, se no caso dos concentradores cilíndricos o movimento é unidimensional, este se movimenta bidimensionalmente. 
Em termos de impactos ambientais, estes coletores apresentam baixo impacto, mesmo quando os motores funcionam com combustível fóssil. A emissão poluente é reduzida bem como o ruído provocado pelo movimento inerente aos motores.
Energia solar no Brasil
Atualmente há vários projetos, em curso ou em operação, para o aproveitamento da energia solar no Brasil, particularmente por meio de sistemas fotovoltaicos de geração de eletricidade, visando ao atendimento de comunidades isoladas da rede de energia elétrica e ao desenvolvimento regional.
A tecnologia do aquecedor solar já vem sendo usada no Brasil desde a década de 60, época em que surgiram as primeiras pesquisas. Em 1973, empresas passaram a utilizá-la comercialmente (ABRAVA, 2001).
Segundo informações da Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento (ABRAVA, 2001), existiam até recentemente cerca de 500.000 coletores solares residenciais instalados no Brasil. Somente com aquecimento doméstico de água para banho, são gastos anualmente bilhões de kWh de energia elétrica(9), os quais poderiam ser supridos com energia solar, com enormes vantagens socioeconômicas
e ambientais.Mais grave ainda é o fato de que quase toda essa energia costuma ser consumida em horas específicas do dia,o que gera uma sobrecarga no sistema elétrico. Além disso, há uma enorme demanda em prédios públicos e comerciais, que pode ser devidamente atendida por sistemas de aquecimento solar central.
Fatores que têm contribuído para o crescimento do mercado são: a divulgação dos benefícios do uso da energia solar; a isenção de impostos que o setor obteve; financiamentos, como o da Caixa Econômica Federal, aos interessados em implantar o sistema; e a necessidade de reduzir os gastos com energia elétrica durante o racionamento em 2001 (ABRAVA, 2001). Também são crescentes as aplicações da energia solar para aquecimento de água em conjuntos habitacionais e casas populares, como nos projetos Ilha do Mel, Projeto Cingapura, Projeto Sapucaias em Contagem, Conjuntos Habitacionais SIR e Maria Eugênia (COHAB) em Governador Valadares (ABRAVA, 2001). Outro elemento propulsor dessa tecnologia é a Lei n° 10.295, de 17 de outubro de 2001, que dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia e a promoção da eficiência nas edificações construídasno País.
 No caso das células voltaicas, existem muitos pequenos projetos nacionais de geração fotovoltaica de energia elétrica, principalmente para o suprimento de eletricidade em comunidades rurais e/ou isoladas do Norte e Nordeste do Brasil. Esses projetos atuam basicamente com quatro tipos de sistemas: i) bombeamento de água, para abastecimento doméstico, irrigação e piscicultura; ii) iluminação pública; iii) sistemas de uso coletivo, tais como eletrificação de escolas, postos de saúde e centros comunitários; e iv) atendimento domiciliar. Entre outros, estão às estações de telefonia e monitoramento remoto, a eletrificação de cercas, a produção de gelo e a dessalinização de água.
Referências Bibliográficas:
Energia solar (3)- Disponível em: www.aneel.gov.br- acesso 30/06/2014.