Solar
O Sol irradia a principal fonte de energia do sistema solar, conhecida como Energia Solar. Essa energia é transportada até a Terra por meio de ondas eletromagnéticas. É a partir da energia do sol que se dá a evaporação, o que possibilita o represamento e a geração de eletricidade a partir de usinas hidrelétricas. A energia ou radiação solar também induz a circulação do ar em larga escala, possibilitando a produção de energia eólica. Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que obtiveram a energia necessária ao seu desenvolvimento a partir da radiação solar, bem como a biomassa (CRESESB, 2000). Trata-se da utilização da energia solar como matéria-prima na produção de energia elétrica (residencial ou industrial), aquecimento de água ou para projetos mais sofisticados na área de desenvolvimento sustentável, por exemplo, na área de engenharia naval, desenvolvendo-se barcos movidos a energia solar. As aplicações para esse tipo de tecnologia são ilimitadas, tendo em vista o constante avanço da tecnologia nas últimas décadas.
Os métodos mais utilizados para aproveitamento de energia solar tanto em escala residencial quanto industrial são baseados na conversão térmica e elétrica. As principais aplicações de cada tipo de tecnologia, bem como seus princípios básicos de funcionamento são apresentados abaixo. Sistema de conversão térmica Estes sistemas funcionam com base em princípios físicos tais como convecção e condução de calor. A Figura 3.1 ilustra um sistema básico de conversão térmica. As placas coletoras, que possuem coloração escura para melhorar a absorção de calor, ficam expostas ao meio externo para efetuar a captação das ondas eletromagnéticas oriundas do sol. No seu interior existem galerias contendo água que recebe calor por condução. Esta água aquecida fica menos densa e começa a efetuar sua subida por meio de movimentos convectivos para o boiler enquanto a água fria desce até as placas através de dutos, formando assim um ciclo. A água no interior do boiler se mantém a temperaturas mais elevadas e pode ser captada para uso doméstico. A caixa d’água tem a função de manter todo o sistema abastecido com o líquido. Célula fotovoltaica (FV) O princípio de funcionamento das células fotovoltaicas foi descoberto em 1887 por Heinrich Hertz e explicado por Albert Einstein em 1905. Consiste da observação de que certos metais emitem elétrons se expostos a ondas eletromagnéticas com freqüência suficientemente alta. Os raios ultra-violeta (UV), emitidos pelo Sol, incidem no metal e adicionam energia nas camadas da eletrosfera dos átomos do mesmo. Isso faz com que seja liberada energia (Elétron) para que o átomo permaneça na sua forma estável. Este fenômeno é conhecido como efeito fotoelétrico (HINRICHS; KLEINBACH, 2008). A maioria das células de energia solar é composta por duas lâminas muito finas de dois tipos de silício tratados. Trata-se de adição de impureza ao silício que o torna um melhor condutor. Se for adicionada uma pequena quantidade de fósforo o material formado é um semicondutor do tipo “n” (negativo). Porém, se for adicionado boro ao silício, surgirão “buracos” vazios (espaços nos quais deveriam existir elétrons) produzindo um semicondutor do tipo “p” (positivo). O arranjo dos elétrons e buracos na junção das duas placas (junção p-n) cria uma barreira para o fluxo de energia elétrica (HINRICHS; KLEINBACH, 2008). A Figura 3.2 ilustra o funcionamento básico de uma célula fotovoltaica que pode ser ligada a uma bateria de células a fim de produzir maior potencial elétrico. Ao atingir a célula fotovoltaica, elétrons e buracos são observados por causa do efeito fotoelétrico que se mantém separados por conta da barreira potencial na junção p-n. Como os lados do tipo p e do tipo n estão conectados por um circuito elétrico externo, os elétrons irão fluir do lado negativo (n) para o positivo (p) gerando corrente elétrica na lâmpada, ilustrada pela Figura 3.2, e se recombinarão com os buracos (HINRICHS; KLEINBACH, 2008).
Os impactos ambientais relacionados à utilização da energia solar são muito limitados, sendo uma fonte de energia limpa. Assim, a energia solar não contribui para o aquecimento global, formação de chuvas ácidas e nem para a poluição atmosférica. Por não utilizar qualquer tipo de combustível, a energia solar não leva ao aumento de custos relacionados a problemas de recuperação ou de transporte, nem para o armazenamento de resíduos radioativos, sendo sua captação muito acessível, gratuita e sem geração de resíduos no final do processo. Outro benefício ambiental é o fato de ser um tipo de energia renovável, pois não utiliza recursos finitos para sua operação (PORTAL VENDA GERADORES, 2010). A Figura 3.3, exibe uma desvantagem característica da utilização de energia solar. Observando-se a área ocupada pelas células fotovoltaicas em relação ao consumo, representado pelas indústrias no perímetro (circuladas em vermelho), pode-se inferir que sua eficiência é baixa e que seu custo de instalação é elevado. Cerca de 70% das residências em Israel possuem coletores solares, colocando o país em destaque no contexto atual. Países como Estados Unidos, Japão e Indonésia também possuem destaque no setor. No Brasil, já existe um crescimento significativo do setor, principalmente de coletores solares para aquecimento de água residencial (BRASIL ESCOLA, 2010). A eficiência das células fotovoltaicas depende da área de contato com a luz solar e a intensidade da mesma. Além disso, boa parte da energia solar que chega a célula é perdida antes de ser convertida em energia elétrica. Estas perdas ocorrem porque parte da energia solar (cerca de 55%) não tem intensidade suficiente para separar os elétrons de seus vínculos atômicos no silício. Assim, é comum a utilização de camadas de filmes finos uns sobre os outros para a absorção da energia solar em diferentes comprimentos de onda. Isto tem possibilitado o desenvolvimento de células com eficiência da ordem de 28% (HINRICHS; KLEINBACH, 2008).
