No centro do Sol, os núcleos de átomos de hidrogénio fundem-se originando núcleos de hélio. A sua superfície atinge uma temperatura de perto dos 6000 K. A energia resultante desta reacção é radiada para o espaço, e parte dela atinge a atmosfera terrestre com uma intensidade de cerca de 1.373 W/m2. Aproximadamente 19% é absorvido pela atmosfera e 35% é reflectido pelas nuvens. Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar está na forma de luz visível e luz ultravioleta. A radiação disponível à superfície terrestre divide-se em três componentes:
- directa: a que vem "directamente" desde o disco solar;
- difusa: a proveniente de todo o céu excepto do disco solar, das nuvens, gotas de água, etc.;
- reflectida: proveniente da reflexão no chão e dos objectos circundantes.
A soma das três componentes é denominada como radiação global e representa cerca de 1.000 W/m2.O espectro de luz solar na superfície da Terra é mais difundida em toda a gama visível e infravermelho e uma pequena gama de radiação ultravioleta.
Quanto às formas de captação da energia solar, existem três tipos de conversão: conversão química, eléctrica e térmica. A conversão directa da energia solar em energia eléctrica pode ocorrer através de dois processos: conversão termoeléctrica e conversão fotoeléctrica, cada um deles podendo ser realizado de diversas maneiras.
As formas mais importantes de conversão química da energia solar são os processos foto-bioquímicos. Os organismos biológicos classificados como produtores sintetizam hidratos de carbono a partir de água e dióxido de carbono, absorvendo energia solar e armazenando-a em forma de ligações químicas. Essa energia atravessa os níveis tróficos da cadeia alimentar e, após a morte dos organismos, esta energia volta ao espaço. Os combustíveis fósseis – petróleo, carvão e gás natural - resultam de um conjunto de transformações que ocorrem no subsolo terrestre e durante milhões de anos de restos de seres vivos, sendo que a energia que eles têm acumulada resultante da absorção de energia solar durante o seu período de sobrevivência. Para além disto, é de destacar o papel importante que a energia solar tem sobre a energia de biomassa, que também é uma fonte renovável com grandes perspectivas de aplicação em grande escala. A energia de biomassa é aquela que é obtida a partir da combustão de material orgânico de origem animal ou vegetal. Tal energia é aquela que se encontra acumulada e que resultou ou da absorção directa de energia solar (por parte dos produtores) ou da absorção indirecta (por parte daqueles que se alimentam de outros seres vivos).
Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados actualmente são a produção de energia eléctrica e o aquecimento de água.
A produção de energia eléctrica através da luz é feita por células solares. Estas células têm na sua constituição o elemento silício, que é um material semicondutor. Por sua vez, as células solares são agrupadas entre si, formando um módulo solar. O painel solar constrói-se acoplando vários módulos solares entre si, em série e/ou paralelo. Um sistema composto pelo painel, controlador de carga, acumulador e acessórios é denominado por Gerador Fotovoltaico.
Em relação à célula fotovoltaica, o seu funcionamento vai ser explicado a seguir. Quando a radiação atinge o semicondutor que constitui a célula fotovoltaica, uma parte é absorvida, outra é reflectida e a outra é transmitida. Somente a energia que é absorvida pode gerar electricidade, excitando os electrões do cristal de silício para níveis de energia mais elevados, transformando-os em electrões livres. Este é o chamado efeito fotovoltaico. Esses electrões livres podem movimentar-se entre os átomos da estrutura cristalina. Cada electrão deslocado deixa no seu lugar uma lacuna (“carga positiva”), que também pode vaguear pelo cristal. O campo eléctrico formado na junção desloca os electrões para a chamada camada do tipo-n, que fica com um excesso de electrões, ou seja, carregada negativamente. As lacunas, por sua vez, são deslocadas para a chamada camada do tipo-p, que fica, por isso, com um défice de electrões, ou seja, fica carregada positivamente. Se a célula for ligada, através dos seus contactos de superfície, a um circuito externo, os electrões livres irão percorrê-lo, produzindo-se uma corrente eléctrica entre as duas camadas do semicondutor.
Os geradores fotovoltaicos são muito seguros e simples, não necessitam do controle humano, funcionam automaticamente e, adequadamente instalados, não causam acidentes que possam trazer danos graves. Geram energia na presença da luz, não sendo necessária a incidência directa da luz solar, apesar de ser recomendável. Isto significa que há geração eléctrica mesmo em dias nublados. O rendimento altera-se conforme haja maior ou menor intensidade da luz. A geração só se interrompe na ausência quase total de luz, como à noite acontece. Por fim, a corrente gerada é de forma contínua e pode ser guardada em acumuladores eléctricos (baterias), para o seu uso quando necessário ou à noite. Não há limite de capacidade de geração.
O aquecimento da água, apesar de também ser feito com a ajuda de painéis solares (quando se pretende aquecer grandes quantidades), é principalmente realizado por aparelhos denominados de colectores solares. Estes, juntamente com o reservatório de água fria e o reservatório térmico ou boiler, constituem um sistema de aquecimento de água por energia solar.
Um colector solar consiste numa caixa hermeticamente fechada com uma abertura de vidro ou material transparente. Esta cobertura tem como finalidade a de provocar o efeito de estufa. Todo o interior de colector é feito de alumínio que é pintado de preto para que a absorção de energia radiante seja máxima. Para esta situação também contribui os fios de cobre, onde circula a água. Por condução, o calor absorvido pela chapa e pelos tubos é transferido para a água. Esta, uma vez aquecida, fica menos densa e sobe, indo para o reservatório. Ao mesmo tempo, a água mais fria desce da parte inferior do reservatório. A água quente, pronta para consumo, é retirada da parte superior do reservatório, uma nova quantidade de água é introduzida na parte inferior, prosseguindo o processo.
Tanto os painéis como os colectores têm algumas condições ideais de funcionamento. Em primeiro lugar, estes equipamentos devem ser em locais ventilados e onde não existam objectos capazes de produzir sombra nas horas de maior irradiação solar. Para além disto, devem estar orientados para Sul (em Portugal), tendo uma inclinação de 45 a 50ºgraus relativamente à horizontal.
Tal como todas as formas de energia, o aproveitamento da energia solar tem as suas vantagens e desvantagens.
Vantagens:
• A energia solar não polui durante o seu uso. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável, utilizando as formas de controlo existentes actualmente.
• As centrais necessitam de uma manutenção mínima.
• Os painéis solares são a cada dia mais potentes, ao mesmo tempo que o seu custo vai descendo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável.
• A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois a sua instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão.
• Em países tropicais, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território, e, em locais afastados dos centros de produção energética, a sua utilização ajuda a diminuir a perda de energia que ocorreria na transmissão.
Desvantagens
• Um painel solar consome uma quantidade enorme de energia para ser fabricado. A energia para a fabricação de um painel solar pode ser maior do que a energia gerada por ele.
• Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de energia.
• Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação atmosférica (chuvas, neve), além da ausência de produção durante a noite, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia.
• Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de Inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com frequente cobertura de nuvens (Londres), tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade.
• As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), à energia hidroeléctrica (água) e a biomassa (bagaço da cana ou bagaço da laranja).
Em suma, a energia solar é mais uma energia renovável em desenvolvimento capaz de fazer face a uma provável extinção dos combustíveis fósseis.
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Quanto às formas de captação da energia solar, existem três tipos de conversão: conversão química, eléctrica e térmica. A conversão directa da energia solar em energia eléctrica pode ocorrer através de dois processos: conversão termoeléctrica e conversão fotoeléctrica, cada um deles podendo ser realizado de diversas maneiras.
As formas mais importantes de conversão química da energia solar são os processos foto-bioquímicos. Os organismos biológicos classificados como produtores sintetizam hidratos de carbono a partir de água e dióxido de carbono, absorvendo energia solar e armazenando-a em forma de ligações químicas. Essa energia atravessa os níveis tróficos da cadeia alimentar e, após a morte dos organismos, esta energia volta ao espaço. Os combustíveis fósseis – petróleo, carvão e gás natural - resultam de um conjunto de transformações que ocorrem no subsolo terrestre e durante milhões de anos de restos de seres vivos, sendo que a energia que eles têm acumulada resultante da absorção de energia solar durante o seu período de sobrevivência. Para além disto, é de destacar o papel importante que a energia solar tem sobre a energia de biomassa, que também é uma fonte renovável com grandes perspectivas de aplicação em grande escala. A energia de biomassa é aquela que é obtida a partir da combustão de material orgânico de origem animal ou vegetal. Tal energia é aquela que se encontra acumulada e que resultou ou da absorção directa de energia solar (por parte dos produtores) ou da absorção indirecta (por parte daqueles que se alimentam de outros seres vivos).
Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados actualmente são a produção de energia eléctrica e o aquecimento de água.
A produção de energia eléctrica através da luz é feita por células solares. Estas células têm na sua constituição o elemento silício, que é um material semicondutor. Por sua vez, as células solares são agrupadas entre si, formando um módulo solar. O painel solar constrói-se acoplando vários módulos solares entre si, em série e/ou paralelo. Um sistema composto pelo painel, controlador de carga, acumulador e acessórios é denominado por Gerador Fotovoltaico.
Em relação à célula fotovoltaica, o seu funcionamento vai ser explicado a seguir. Quando a radiação atinge o semicondutor que constitui a célula fotovoltaica, uma parte é absorvida, outra é reflectida e a outra é transmitida. Somente a energia que é absorvida pode gerar electricidade, excitando os electrões do cristal de silício para níveis de energia mais elevados, transformando-os em electrões livres. Este é o chamado efeito fotovoltaico. Esses electrões livres podem movimentar-se entre os átomos da estrutura cristalina. Cada electrão deslocado deixa no seu lugar uma lacuna (“carga positiva”), que também pode vaguear pelo cristal. O campo eléctrico formado na junção desloca os electrões para a chamada camada do tipo-n, que fica com um excesso de electrões, ou seja, carregada negativamente. As lacunas, por sua vez, são deslocadas para a chamada camada do tipo-p, que fica, por isso, com um défice de electrões, ou seja, fica carregada positivamente. Se a célula for ligada, através dos seus contactos de superfície, a um circuito externo, os electrões livres irão percorrê-lo, produzindo-se uma corrente eléctrica entre as duas camadas do semicondutor.
Os geradores fotovoltaicos são muito seguros e simples, não necessitam do controle humano, funcionam automaticamente e, adequadamente instalados, não causam acidentes que possam trazer danos graves. Geram energia na presença da luz, não sendo necessária a incidência directa da luz solar, apesar de ser recomendável. Isto significa que há geração eléctrica mesmo em dias nublados. O rendimento altera-se conforme haja maior ou menor intensidade da luz. A geração só se interrompe na ausência quase total de luz, como à noite acontece. Por fim, a corrente gerada é de forma contínua e pode ser guardada em acumuladores eléctricos (baterias), para o seu uso quando necessário ou à noite. Não há limite de capacidade de geração.
O aquecimento da água, apesar de também ser feito com a ajuda de painéis solares (quando se pretende aquecer grandes quantidades), é principalmente realizado por aparelhos denominados de colectores solares. Estes, juntamente com o reservatório de água fria e o reservatório térmico ou boiler, constituem um sistema de aquecimento de água por energia solar.
Um colector solar consiste numa caixa hermeticamente fechada com uma abertura de vidro ou material transparente. Esta cobertura tem como finalidade a de provocar o efeito de estufa. Todo o interior de colector é feito de alumínio que é pintado de preto para que a absorção de energia radiante seja máxima. Para esta situação também contribui os fios de cobre, onde circula a água. Por condução, o calor absorvido pela chapa e pelos tubos é transferido para a água. Esta, uma vez aquecida, fica menos densa e sobe, indo para o reservatório. Ao mesmo tempo, a água mais fria desce da parte inferior do reservatório. A água quente, pronta para consumo, é retirada da parte superior do reservatório, uma nova quantidade de água é introduzida na parte inferior, prosseguindo o processo.
Tanto os painéis como os colectores têm algumas condições ideais de funcionamento. Em primeiro lugar, estes equipamentos devem ser em locais ventilados e onde não existam objectos capazes de produzir sombra nas horas de maior irradiação solar. Para além disto, devem estar orientados para Sul (em Portugal), tendo uma inclinação de 45 a 50ºgraus relativamente à horizontal.
Tal como todas as formas de energia, o aproveitamento da energia solar tem as suas vantagens e desvantagens.
Vantagens:
• A energia solar não polui durante o seu uso. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável, utilizando as formas de controlo existentes actualmente.
• As centrais necessitam de uma manutenção mínima.
• Os painéis solares são a cada dia mais potentes, ao mesmo tempo que o seu custo vai descendo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável.
• A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois a sua instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão.
• Em países tropicais, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território, e, em locais afastados dos centros de produção energética, a sua utilização ajuda a diminuir a perda de energia que ocorreria na transmissão.
Desvantagens
• Um painel solar consome uma quantidade enorme de energia para ser fabricado. A energia para a fabricação de um painel solar pode ser maior do que a energia gerada por ele.
• Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de energia.
• Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação atmosférica (chuvas, neve), além da ausência de produção durante a noite, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia.
• Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de Inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com frequente cobertura de nuvens (Londres), tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade.
• As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), à energia hidroeléctrica (água) e a biomassa (bagaço da cana ou bagaço da laranja).
Em suma, a energia solar é mais uma energia renovável em desenvolvimento capaz de fazer face a uma provável extinção dos combustíveis fósseis.
