Energia solar
Energia solar é um termo que se refere à energia proveniente da luz e do calor do Sol. É utilizada por meio de diferentes tecnologias em constante evolução, como o aquecimento solar, a energia solar fotovoltaica, a energia heliotérmica, a arquitetura solar e a fotossíntese artificial. Tecnologias solares são amplamente caracterizadas como ativas ou passivas, dependendo da forma como capturam, convertem e distribuem a energia solar. Entre as técnicas solares ativas estão o uso de painéis fotovoltaicos, concentradores solares térmicos das usinas heliotérmicas e os aquecedores solares. Entre as técnicas solares passivas estão a orientação de um edifício para o Sol, a seleção de materiais com massa térmica favorável ou propriedades translúcidas e projetar espaços que façam o ar circular naturalmente.
A Terra recebe 174 petawatts (GT) de radiação solar (insolação) na zona superior da atmosfera. Dessa radiação, cerca de 30% é reflectida para o espaço, enquanto o restante é absorvido pelas nuvens, mares e massas terrestres. O espectro da luz solar na superfície da Terra é mais difundida em toda a gama visível e infravermelho e uma pequena gama de radiação ultravioleta. A superfície terrestre, os oceanos e atmosfera absorvem a radiação solar, e isso aumenta sua temperatura. O ar quente que contém a água evaporada dos oceanos sobe, provocando a circulação e convecção atmosférica. Quando o ar atinge uma altitude elevada, onde a temperatura é baixa, o vapor de água condensa-se, formando nuvens, que posteriormente provocam precipitação sobre a superfície da Terra, completando o ciclo da água. O calor latente de condensação de água aumenta a convecção, produzindo fenómenos atmosféricos, como o vento, ciclones e anticiclones. A luz solar absorvida pelos oceanos e as massas de terra mantém a superfície a uma temperatura média de 14 °C. A fotossíntese das plantas verdes converte a energia solar em energia química, que produz alimentos, madeira e biomassa a partir do qual os combustíveis fósseis são derivados.
Tecnologias solares térmicas podem ser usadas para aquecimento de água, aquecimento e refrigeração de ambientes, além da geração do processo de calor.
Adaptação comercial inicial
Em 1897, Frank Shuman, um inventor e engenheiro estadunidense, pioneiro da energia solar, construiu um pequeno motor de energia solar de demonstração que funcionava ao refletir a energia solar para caixas quadradas cheias de éter, que tem um ponto de ebulição mais baixo do que o da água, e era equipado internamente com tubulações pretas que por sua vez alimentavam um motor a vapor. Em 1908, ele criou a Shuman Power Company Sun com a intenção de construir usinas de energia solar de maior dimensão. Shuman, juntamente com o seu consultor técnico A. S. E. Ackermann e o físico britânico Sir Charles Vernon Boys, desenvolveu um sistema melhorado usando espelhos para refletir a energia solar em caixas coletoras, aumentando a capacidade de aquecimento, na medida em que a água poderia agora ser usada, ao invés de éter. Shuman então construído um pequeno motor de escala alimentado por vapor de água de baixa pressão, que lhe permitiu patentear todo o sistema de motor solar em 1912.
Aquecimento de água
Sistemas solares de água quente podem usar a luz solar para aquecer a água. Em baixas latitudes geográficas (abaixo de 40 graus) de 60% a 70% do uso da água quente com temperaturas de até 60 °C pode ser fornecida por sistemas de aquecimento solar. Os tipos mais comuns de aquecedores solares de água são coletores de tubo evacuado (44%) e coletores de chapa de vidros (34%), geralmente utilizados para uso doméstico; e coletores de plástico não vidrados (21%), utilizados principalmente para aquecer piscinas. Em 2007, a capacidade total instalada de sistemas solares de água quente era de cerca de 154 gigawatt térmicos (GWth). A China é o líder mundial, com 70 GWth instalados em 2006 e uma meta de longo prazo de 210 GWth até 2020. Israel e Chipre são os líderes no uso de sistemas solares de água quente, com mais de 90% das casas destes países usam tais sistemas. Nos Estados Unidos, Canadá e Austrália o aquecimento de piscinas é a aplicação dominante de energia solar água térmica, com uma capacidade instalada de 18 GWth em 2005.
Aquecimento, refrigeração e ventilação
Nos Estados Unidos, os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) são responsáveis por 30% da energia usada em edifícios comerciais e quase 50% da energia usada em edifícios residenciais. Aquecimento solar, tecnologias de refrigeração e ventilação podem ser usadas para compensar uma parte desta energia. Massa térmica é qualquer material que pode ser usado para armazenar calor, ou calor do sol, no caso da energia solar. Materiais de massa térmica comuns incluem pedra, cimento e água. Historicamente eles têm sido usados em climas áridos ou em regiões temperadas quentes para manter os edifícios resfriados, absorvendo a energia solar durante o dia e irradiando calor armazenado para a atmosfera à noite. No entanto, eles podem ser usados em áreas de clima temperado a frio para manter ambientes aquecidos.
Cozimento
Fornos solares usam a luz solar para cozinhar, secar e pasteurização. Eles podem ser agrupados em três grandes categorias: fornos, panelas e fornos refletores. O forno solar mais simples é o construído por Horace de Saussure em 1767. Um fogão de caixa básico consiste em um recipiente isolado com uma tampa transparente. Ele pode ser usado eficazmente com céu parcialmente nublado e tipicamente irá atingir temperaturas de 90-150 °C. Fornos refletores usam um painel refletor que direcionada a luz solar para um recipiente isolado e atinge temperaturas comparáveis às do forno solar. Este tipo de equipamento usa vários tipos de geometrias de enriquecimento para focalizar a luz em um recipiente de cozedura. Essas panelas podem atingir temperaturas de 315 °C ou mais, mas necessitam de luz direta para funcionar corretamente e devem ser reposicionadas para acompanhar o Sol.
Evaporação
Tecnologias de concentração solar, como refletores parábolicos, podem fornecer calor para aplicações comerciais e industriais. O primeiro sistema comercial foi o Solar Total Energy Project (STEP) na comunidade planejada de Shenandoah, agora parte da cidade de Newnan, no estado da Geórgia, Estados Unidos, onde um campo com 114 refletores parabólicos fornecem mais de 50% do aquecimento, ar condicionado e eletricidade de uma fábrica de roupas. Este sistema de co-geração conectada à rede fornecida 400 kW de eletricidade. Lagoas de evaporação são piscinas rasas que concentram sólidos dissolvidos através da evaporação. O uso de lagoas de evaporação para se obter o sal da água do mar é uma das aplicações mais antigas da energia solar. Entre os usos modernos estão a concentração de soluções de salmoura utilizadas na mineração por lixiviação e a remoção de sólidos dissolvidos em fluxos de resíduos.
Tratamento de água
O processo de destilação solar pode ser usado para fazer água salobra tornar-se potável. O primeiro caso registrado deste método foi de alquimistas árabes do século XVI. Um projeto de destilação solar em larga escala foi construído pela primeira vez em 1872 na cidade mineira de Las Salinas, atualmente um bairro da cidade de Viña del Mar, no Chile. A fábrica, que tinha um coletor de energia solar com 4 700 m² de área, poderia produzir até 22 700 litros por dia e operar por 40 anos. Além disso, é possível fazer a desinfecção solar da água, que envolve a exposição de garrafas de plástico de politereftalato de etileno (PET) cheias de água ao Sol por várias horas. Os tempos de exposição variam dependendo do tempo e do clima, de um mínimo de seis horas a dois dias em condições totalmente nubladas. É recomendado pela Organização Mundial de Saúde (OMS) como um método viável para o tratamento doméstico de água e armazenamento seguro. Mais de dois milhões de pessoas nos países em desenvolvimento usam este método para obter água potável diariamente.
A energia solar é a conversão da luz solar em eletricidade, quer diretamente utiliza energia fotovoltaica (PV - sigla em inglês), ou indiretamente, utiliza energia solar concentrada (CSP). Sistemas CSP usam lentes ou espelhos para focar uma grande área de luz solar em uma pequena viga, enquanto a PV converte a luz em corrente elétrica usando o efeito fotoelétrico. Em 2013, a energia solar gerava menos de 1% do total da rede mundial de eletricidade. Estima-se que a energia solar se torne a maior fonte mundial de eletricidade em 2050, sendo que a energia solar fotovoltaica e a energia solar concentrada contribuirão com 16 e 11 por cento da demanda de consumo global, respectivamente. Usinas solares comerciais foram desenvolvidas na década de 1980. Desde 1985 a instalação SEGS CSP, de 354 MW, no deserto de Mojave, na Califórnia, é a maior usina de energia solar do mundo. Outras grandes usinas incluem a Usina Solar de Solnova (150 MW) e a Usina Solar de Andasol (100 MW), ambas na Espanha. O Água Caliente Solar Project, de 250 MW, nos Estados Unidos, e o Parque Solar Charanka (221 MW), na Índia, são maiores centrais fotovoltaicas do mundo. Estão sendo desenvolvidos projetos de energia solar superiores a 1 GW, mas a maioria das células fotovoltaicas implantadas estão em pequenas matrizes de telhado de menos de 5 kW, que são ligadas à rede.
Fotovoltaica
Nas últimas duas décadas, a energia fotovoltaica (PV) evoluiu de um nicho de mercado puro de aplicações de pequena escala para se tornar uma fonte de eletricidade relevante. Uma célula solar é um dispositivo que converte a luz em energia elétrica diretamente, através do uso do efeito fotoeléctrico. A primeira célula solar foi construída por Charles Fritts na década de 1880. Em 1931, um engenheiro alemão, Dr. Bruno Lange, desenvolveu uma célula fotovoltaica usando selenito de prata no lugar de óxido de cobre. Embora os protótipos das células de selênio convertessem menos de 1% da luz incidente em eletricidade, tanto Ernst Werner von Siemens quanto James Clerk Maxwell reconheceram a importância desta descoberta. Na sequência do trabalho de Russell Ohl na década de 1940, os pesquisadores Gerald Pearson, Calvin Fuller e Daryl Chapin criaram a célula solar de silício cristalino, em 1954. Estas primeiras células solares custavam US$ 286/watt e alcançavam eficiências de 4,5-6%. Até 2012 eficiências disponíveis excediam 20%, sendo que o máximo de eficiência da energia fotovoltaica é superior a 40%.
Concentrada
Sistema de concentração de energia solar (CSP) usam lentes ou espelhos e sistemas de rastreamento para focar uma grande área de luz solar em uma pequena viga. O calor concentrado é então usado como uma fonte de calor para uma central de energia convencional. Uma vasta gama de tecnologias de concentração existem atualmente; as mais desenvolvidas são as calhas parabólicas, o refletor linear, o motor Stirling e a torre de energia solar. Várias técnicas são usadas para rastrear o Sol e focalizar a sua luz. Em todos estes sistemas, um fluido de trabalho (liquido que torna a máquina mais precisa) é aquecido pela luz solar concentrada e é então utilizado para geração de energia ou armazenamento de energia.
Agricultura e horticultura
A agricultura e a horticultura procuram otimizar a captura de energia solar, para aumentar a produtividade de plantas. Técnicas como os ciclos de plantio cronometrados, a orientação de linha sob medida, as alturas escalonadas entre linhas e a mistura de variedades de plantas podem melhorar o rendimento das culturas. Apesar da luz solar ser geralmente considerada um recurso abundante, as exceções destacam a importância do Sol para agricultura. Durante as estações de crescimento da Pequena Idade do Gelo, os agricultores franceses e ingleses usavam espaldeiras para maximizar a captura de energia solar. Estas espaldeiras atuavam como massas térmicas e aceleravam a maturação, mantendo as plantas quentes. As primeiras espaldeiras foram construídas perpendicularmente ao chão e de frente para o sul, mas ao longo do tempo, paredes inclinadas foram desenvolvidas para fazer melhor uso da luz solar. Em 1699, Nicolas Fatio de Duillier sugeriu o uso de um mecanismo de rastreamento que seguir a luz solar. Entre as aplicações da energia solar na agricultura no lado do cultivo de culturas estão o bombeamento de água, a secagem de culturas, a produção de pintinhos e a secagem de esterco de galinha. Mais recentemente, a tecnologia tem sido abraçada por vinicultores, que usam a energia gerada por painéis solares para poder prensar a uva.
Transportes
O desenvolvimento de um carro movido a energia solar tem sido uma meta de engenharia desde os anos 1980. O Desafio Solar Mundial é uma corrida bianual de carros movidos a energia solar, onde as equipes de universidades e empresas percorrem 3 021 quilômetros por toda a região central da Austrália, entre as cidades de Darwin a Adelaide. Em 1987, quando foi fundada, a velocidade média do vencedor era de 67 quilômetros por hora e até 2007 a velocidade média do vencedor tinha melhorado para 90,87 quilômetros por hora. O American Solar Challenge, nos Estados Unidos, e o South African Solar Challenge, na África do Sul, são competições comparáveis que refletem um interesse internacional na engenharia e no desenvolvimento de veículos movidos a energia solar.
Arquitetura e planejamento urbano
A luz solar influenciou projetos de construção desde o início da história da arquitetura. Avançados métodos de arquitetura e urbanismo solar foram utilizados pela primeira vez pelos gregos e chineses, que construíam seus edifícios orientados para o sul para fornecer luz e calor. As características comuns de arquitetura solar passiva são a orientação em relação ao Sol, a proporção compacta (uma área de superfície baixa em relação ao volume), o sombreamento seletivo (saliências) e a massa térmica. Quando esses recursos são adaptados ao clima e ambiente locais, é possível produzir espaços bem iluminados em uma faixa de temperatura confortável. A casa mégaro de Sócrates é um exemplo clássico da arquitetura solar passiva. As mais recentes abordagens para o uso deste tipo de fonte de energia é o projeto solar de modelagem de computador que unifica sistemas de iluminação, aquecimento e ventilação em conjunto solares em um pacote de design solar integrado. Equipamentos de energia solar ativos, tais como bombas, ventiladores e janelas comutáveis, podem complementar projeto passivo e melhorar o desempenho do sistema.
Produção de combustível
Processos químicos usam energia solar para dirigir as reações químicas. Estes processos compensam a energia que de outra forma viria de uma fonte de combustível fóssil e também podem converter energia solar em combustíveis armazenáveis e transportáveis. As reações químicas solares induzidas podem ser divididas em termoquímicas ou fotoquímicas. Uma variedade de combustíveis pode ser produzida através da fotossíntese artificial. A química catalítica multieletrônica envolvida na produção de combustíveis à base de carbono (tal como metanol) a partir da redução do dióxido de carbono é um desafio; uma alternativa viável é a produção de hidrogênio a partir de prótons, embora o uso de água como fonte de elétrons (como as plantas fazem) requer dominar a oxidação multielectrônica de duas moléculas de água para oxigênio molecular. Estima-se que usinas de combustíveis solares funcionais em áreas metropolitanas costeiras existam até 2050. O processo faria a divisão da água do mar entre o fornecimento de hidrogênio para ser executado através de células de combustível em usinas elétricas adjacentes e a água pura que fica como subproduto, que seria distribuída diretamente para o sistema de água municipal. Outra visão envolve que todas as estruturas humanas que cobrem a superfície da Terra (ou seja, estradas, veículos e edifícios) se tornem capazes de realizar fotossíntese de forma mais eficiente do que as plantas.
Sistemas de massa térmica podem armazenar energia solar na forma de calor em temperaturas internamente úteis para durações diárias ou intersazonais. Sistemas de armazenamento térmico geralmente usam materiais facilmente disponíveis com capacidades térmicas especificamente altas, tais como água, terra e pedra. Sistemas bem concebidos podem reduzir a demanda de pico, deslocar o tempo de uso para horários fora do pico e reduzir os requisitos gerais de aquecimento e refrigeração. Materiais de mudança de fase, tais como cera de parafina e sal de Glauber são outra forma de armazenamento térmico. Estes materiais são baratos, facilmente disponíveis e podem proporcionar temperaturas internamente úteis (aproximadamente 64 °C). A "Dover House" (em Dover, Massachusetts) foi a primeira a usar o sistema de aquecimento de sal de Glauber, em 1948. A energia solar também pode ser armazenada em altas temperaturas utilizando sais fundidos. Os sais são um meio eficaz de armazenamento porque eles são de baixo custo, tem uma elevada capacidade de calor específico e podem fornecer calor a temperaturas compatíveis com as dos sistemas de energia convencionais. O "Solar Project", no deserto de Mojave, nos Estados Unidos, utiliza este método de armazenamento de energia, o que permite ao sistema armazenar 1,44 terajoules (400 000 kWh) em seu tanque de armazenamento de 68 metros cúbicos, com uma eficiência de armazenamento anual de cerca de 99%.
Com o aumento da utilização do carvão, que acompanhou a Revolução Industrial, o consumo de energia tem transitado da madeira e biomassa até combustíveis fósseis. O desenvolvimento precoce de tecnologias solares a partir na década de 1860 foi impulsionado por uma expectativa de que o carvão viria a se tornar escasso. No entanto, o desenvolvimento de tecnologias solares estagnou no início do século XX em face do aumento da disponibilidade, economia e utilidade do carvão e do petróleo. A crise do petróleo nos anos 1970 causou uma reorganização das políticas energéticas de todo o mundo e trouxe uma renovada atenção ao desenvolvimento de tecnologias solares. As estratégias de implantação focavam em programas de incentivo, como o Programa de Aproveitamento Federal Fotovoltaico, nos Estados Unidos, e o Programa Luz do Sol, no Japão. Outros esforços incluíram a formação de centros de pesquisa em nos Estados Unidos (SERI, agora NREL), Japão (NEDO) e Alemanha (Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar).
