Energia Solar e seu efeitos no meio ambiente

Nome Completo Co-orientadora: Profª MSc Ludmila de Moura NOME DA CIDADE SEM A SIGLA DO ESTADO DIGITE AQUI O ANO DA DEFESA Folha destinada à inclusão da Ficha Catalográfica (elemento obrigatório) a ser solicitada à Biblioteca da UNIP e posteriormente impressa no verso da Folha de Rosto (folha anterior). Espaço destinado a elaboração da ficha catalografica sob responsabilidade exclusiva do Departamento de Biblioteca da UNIP. Espaço destinado à dedicatória (elemento opcional). Folha que contém o oferecimento do trabalho à determinada pessoa ou pessoas. Exemplo: Dedico este trabalho à minha família, pelos momentos de ausência. Enfim, a todos os que por algum motivo contribuíram para a realização desta pesquisa. Espaço destinado à epígrafe (elemento opcional). Nesta folha, o autor usa uma citação, seguida de indicação de autoria e ano, relacionada com a matéria tratada no corpo do trabalho.

Exemplo: Eu denomino meu campo de Gestão do Conhecimento, mas você não pode gerenciar conhecimento. Ninguém pode. Com a finalidade de melhor compreender o processo do aproveitamento da energia solar, é realizado um pesquisa sobre como a energia solar é desdobrada em diferentes tipos de radiações solares e quais têm maior capacidade de geração de energia solar e como elas de distribuem na superfície do planeta, sua regiões de maior incidência e sob que aspectos elas ocorrem e são classificadas. Em seguida, foram abordados os dispositivos com os quais a energia solar é coletada, a tecnologia empregada, o atual estado de arte das mesmas e com ocorre a sua utilização nos países e a sua inserção no mercado sob o prisma custo-benefício.

Optou-se pelo estudo do funcionamento e utilização da célula fotovoltaica e da Torre Solar. O primeiro por tratar-se do dispositivo de transformação de energia solar mais utilizado e disponibilizado na atualidade e segundo por conferir uma modalidade conceitual diferente do primeiro por se adequar a demandas de energia de maior envergadura que as células fotovoltaicas. Finalmente, esse trabalho busca lançar uma reflexão crítica em relação à compreensão e ao aproveitamento da energia solar. This paper has as objective to search about solar energy, since her source as well as her genesis' characteristics in the Sun by means of nuclear fusion until the form that it is spread on the Earth surface. Comparison between this two forms of energy: the renewable energy and the not renewable energy to beyond this point, to observe the differences that are among them and justify the chosen of the renewable energy a the most proper to global reality at present moment.

With the objective of better understand the solar energy exploitation process, is accomplished a survey about how the solar energy is breaked in different solar radiation kinds and which have the better capacity to generate solar energy and how it is spread on planet surface, into her regions of bigger frequencies and under which characteristics they are classified. Then was approached devices that collect the solar energy and how this technology is used, her actual state of art and how it's happen his use in another countries and his insertion in the market under the view point of cost-benefit. Was chose the study of the Photovoltaic Cells operation and utilization and of the Solar Tower. Figura 4. Eixo de rotação da Terra e sua inclinação. Figura 5. Efeito cosseno. Figura 6. Fluxo global de radiação.

Figura 12. Célula fotovoltaica. Figura 13. Geração da corrente elétrica. A RADIAÇÃO SOLAR. DUAS FORMAS BÁSICAS DE CAPTURAR A ENERGIA DO SOL. VARIABILIDADE DA FONTE SOLAR. TECNOLOGIAS. SURGIMENTO DAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS. Os impactos causados pela energia solar em nosso planeta são diversos e eles contribuem para a geração de uma energia de caráter renovável e limpa. Esse trabalho tem como objetivo dissertar sobre a origem da energia solar, seus desdobramentos e como ocorre a sua distribuição na superfície do planeta e como é realizada a sua coleta a fim de que a partir da mesma seja gerada energia em seus mais diversos tipos. Trata-se também de um trabalho investigativo no sentido de compreender as tecnologias inerentes transformação da energia solar em outras energias, principalmente em energia elétrica, cuja demanda é tão presente nos dias de hoje.

Buscam-se também justificativas para aplicação o uso da tecnologia da energia solar em sua relação custo benefício dentro das perspectivas não só do Brasil, como também em outros países. Finalmente, este trabalho busca levar a reflexão sobre caminhos que lancem um olhar crítico a respeito do aproveitamento da energia solar, sua tecnologias de obtenção e formas de utilização. Superfície solar. Fonte: https://www. pexels. com/search/sun / 2. ENERGIA SOLAR Segundo (AZEVEDO E REIS, 2016), as fontes de energia recebem a seguinte classificação conforme a capacidade de cada uma em renovar os seus recursos: • Não renováveis. Contudo, ao mesmo tempo que a energia solar é abundante, ela representa uma minúscula fração no conjunto dos tipos de energia que podem ser aproveitadas no planeta.

Porém uma mudança está rapidamente ocorrendo, fruto da ação global no sentido de aumentar o acesso à energia solar e armazená-la com segurança. A fig. ilustra uma comparação entre as ofertas de energia. Nela percebe-se que a oferta de energia solar é mínima. Ela pode ser transformada em calor ou em energia elétrica e é transferida por irradiação direta ou indireta. Sua disponibilidade pode variar em quantidade e qualidade, dependendo da localidade, mas também pode variar com o tempo. Essas variáveis a tornam de certo modo imprevisível. Uma das formas de aproveitamento da energia solar é através da geração fotovoltaica. O Brasil tem enorme potencial para a geração desse tipo de energia, por exemplo, o pior local de irradiação solar do Brasil, é melhor do que o melhor local de irradiação solar da Alemanha, país no qual a geração de energia fotovoltaica é muito popular.

O remanescente desse fluxo, 198 W/m2 (57 % do total) atinge a superfície da Terra. Ao atingir a superfície, a radiação solar desdobra-se em duas componentes: • A radiação direta. • A radiação difusa. A radiação direta vem diretamente do disco solar e dá origem a sombras e normalmente é percebida durante a luz do por do Sol, como uma mistura de luz brilhante com calor radiante. A radiação difusa não produz sombras e pode ser percebida como a luz do dia. Consumo global anual de energia. Fonte: National Petroleum coucil, 2007 A figura 3 ilustra o consumo global dos vários tipo de energias, tanto as renováveis como as que não o são. Percebe-se através da ilustração que a quantidade de energia solar suplanta a todas as outras energias por uma margem imensa.

DUAS FORMAS BÁSICAS DE CAPTURAR A ENERGIA DO SOL Os raios de sol podem ser diferenciados através dos seus comprimentos de onda, os quais definem a luz visível, o infra vermelho e o ultravioleta (SOLAR ENERGY PERSPECTIVES, 2011). A luz visível contribui com cerca de 40 % da energia radiante, enquanto que o infravermelho com 50 % e o ulta violeta com os 10 % remanescentes. Pelo intermédio da duas formas de capturar a energia do Sol; através do calor e da foto reação, surgem quatro campos de aplicação: 1. Eletricidade fotovoltaica. Aquecimento e refrigeração. Eletricidade solar térmica. Produção de combustível solar. A rotação em torno do seu eixo é responsável pelo ciclo da noite. A translação se refere ao movimento da Terra em sua órbita elíptica em torno do Sol”.

O ponto no qual a Terra situa-se mais próxima do Sol chama-se peri hélio e a posição que determina o ponto mais afastado chama-se afélio. As estações do ano ocorrem por causa da inclinação do eixo de rotação da Terra em relação à perpendicular ao plano definido pela órbita da Terra (plano da órbita elíptica) (Figura 4). Figura 4. Assim no inverno, o Hemisfério Sul inclina-se e afasta-se do Sol, enquanto no verão, ele se aproxima do Sol. Este fato faz com que a altura do Sol, isto é, o ângulo de elevação do Sol acima do horizonte durante uma determinada hora do dia se modifique com o passar do ano. Portanto haverá maior incidência da radiação solar no hemisfério de verão, onde as alturas do Sol são maiores e os dias têm maior duração.

No hemisfério de inverno ocorre o contrário: as alturas do sol são menores, os dias mais curtos e menor incidência de radiação solar. Todos os continentes recebem a mesma quantidade de luz diária (4380 horas) a cada ano, o que equivale à metade de um ano inteiro, no entanto a quantidade média de energia proveniente do Sol que é recebida pelos continentes varia durante esse mesmo período de um ano. Essa inclinação conduz à definição de duas linhas imaginárias que delineiam todas as localizações na Terra aonde o Sol atinge o ponto precisamente vertical sobre a superfície do planeta ao menos uma vez durante o ano solar. Essas linhas são denominadas trópicos e localizam-se a 23,45 0 de latitude em ambos os lados do equador.

Devido a essa inclinação, as regiões tropicais recebem mais radiação por metros quadrados, em média, durante o ano do que as regiões que estão ao norte do Trópico de Cancer e ao sul do Trópico de Capricórnio. As latitudes aumentam durante o período do inverno e assim, a irradiação diminui de forma independente da absorção atmosférica durante essa estação. A utilização da Lei de Lambert propicia a compreensão tanto da variação diária como a sazonal da irradiância solar em razão das diferentes localizações geográficas, da variação da distância entre a Terra e o Sol, da época do ano, do movimento de rotação da Terra e da hora do dia.

Fonte: Itacanet A atmosfera constitui um parâmetro complicador na elaboração nessa modelagem básica, por causa de seus componentes, isto é, vapor d’água e partículas cujos valores variam com o tempo e a localização. Além do mais, as nuvens obstruem quase a totalidade da radiação direta (IPCC, 2007). A disponibilidade da energia solar é afetada, principalmente, por dois fatores da composição atmosférica: 1. A Lei de Lambert, que é definida pela maior distância que os raios de Sol devem viajar através da atmosfera terrestre para atingir a superfície da Terra, é influenciada pela espessura da camada atmosférica identificada por um coeficiente denominado massa de ar, determinado quando a direção do sol forma um ângulo de 600 com a direção do zênite e que adquire um valor de 2 versus o valor de 1, quando o Sol encontra-se a pino (figura 9).

A atmosfera espalha e absorve uma parte da energia solar, principalmente a 29 radiação infra vermelha que é absorvida pelo dióxido de carbono e vapor d’ água, além dos raios ultra violeta, absorvidos pelo ozônio. Espectro de irradiância Fonte: Solar Energy Perspectives Figura 11. Fluxo global de radiação Fonte: Solar Perspectives Analisando a figura 11 tem-se que em média a Europa recebeu cerca de 1200 Kwh/m2, que é comparável ao meio este europeu (1800 – 2300 Kwh/m 2). Ao mesmo 31 tempo, os EUA, África, a maior parte da América Latina, Austrália, a maior part da Índia e regiões da China têm recursos solares que podem ser classificados entre bons – excelentes. O Alasca, nordeste da Europa, Canadá, Rússia e sudeste da China são menos favorecidos O conhecimento de como os recursos em energia solar se dispõe nas regiões do planeta é fundamental a fim de que sejam explorados com a devida eficiência e com o uso da tecnologia adequada para que se obtenha o melhor custo-benefício.

TECNOLOGIAS Existem dois tipos de tecnologias de energia solar: a fotovoltaica e o concentrador solar. Assim, Fuller produziu uma barra de silício dopada com uma pequena concentração de gálio, fazendo com que a barra agora se transformasse num material condutor com cargas móveis positivas (sendo chamado de silício do tipo P). Em seguida, seguindo as orientações de Fuller, o físico Gerald Pearson, também funcionário dos Laboratórios Bell, introduziu a barra de silício dopada em um banho quente de lítio com o objetivo de criar sobre a barra uma camada com excesso de elétrons livres (uma camada com carga negativa, devido aos elétrons) e sendo chamada de silício N. Observou-se que na junção dos dois tipos de silício, o do tipo P e o do tipo N, surgiu um campo elétrico permanente.

Pearson verificou que a amostra produzida criava uma corrente elétrica quando exposta à luz. Estava assim criada a primeira célula solar. Para que esse fenômenos seja possível, as células fotovoltaicas são produzidas com um material semi condutor, isto é, um material que se comporta hora como condutor de elétrons, hora como isolante dos mesmos. O silício que se apresenta como a areia comum é, através de técnicas específicas, refinado até atingir o estado puro, porém não possui elétrons livres e portanto é mal condutor de corrente elétrica. A fim de alterar esse estado, o cristal de silício puro é submetido a um processo de dopagem, no qual são inseridos em sua estrutura porcentagens de outros elementos (DO NASCIMENTO, 2004). A dopagem do silício com o fósforo transforma-o em um material condutor de elétrons livres,e sendo o elétron portador de carga negativa, o silício é classificado como silício tipo N.

Executando o mesmo processo com o silício, porém agora dopando-o com boro, obtém-se um material com características inversas, isto é, um material que exibe falta de elétrons, sendo portanto, portador de carga elétrica positiva. Uma célula solar não atua como um armazenador de energia elétrica, a sua ação é a de manter um fluxo de elétrons (corrente elétrica), enquanto existir a incidência de luz sobre e quanto mais intensa for a luz que nela incida, maior será a intensidade da corrente elétrica gerada. Figura 13. Geração da corrente elétrica. Fonte: http://blog. bluesol. Esse processo tem uma eficiência de 60 % e é indicado para sistemas de maiores dimensões. A eletricidade pode também ser armazenada sob forma de ar comprimido que envolve técnicas mais complexas do que aquelas exigidas para o bombeamento de água.

A armazenagem de eletricidade baseada no hidrogênio também é umaalternativa a médio prazo. Sistemas Distribuídos em Alguns Países Segundo Shayani (2006), a Alemanha é um país pioneiro na aplicação da energia solar distribuída. Durante os anos de 1990 a 1995 iniciou um programa cujo objetivo era a instalação de painéis fotovoltaicos ligados à rede elétrica em cerca de 1000 residências, chegando a atingir a quantidade de 2250 painéis instalados em residências com uma potência média de 2,6 KW por telhado, perfazendo um total de mais 40 cidades. “Em prédios comerciais a eletricidade necessária para alimentar o sistema de ar condicionado é tipicamente 40 % do consumo total do prédio” (SHAYANI, 2006). Instalações com esse perfil apresentam, segundo Ruther (2004), as seguintes vantagens: • Minimização das perdas por transmissão, pois tanto o sistema gerador de energia como o consumidor estão geograficamente próximos.

• Não são necessários sistemas acumuladores de energia como é o caso de conjuntos de baterias; o que barateia o orçamento de instalação do 38 equipamento em cerca de 30 %. • Dispensa o superdimensionamento direcionado à alimentação de carga elétrica durante prolongados períodos de pouca incidência solar. • Por operar em conjunto com a rede pública de distribuição de eletricidade, poupa seus dispositivos, aumentando assim a vida útil de componentes tais como transformadores, capacitores e outros dispositivos. O orçamento para a instalação de um sistema solar isolado (sem acesso à rede de distribuição) é de cerca de 50 vezes o valor de uma pequena central hidrelétrica de igual capacidade. Contudo, deve-se observar a energia gerada pelo equipamento solar durante toda a sua vida útil que é de cerca de 30 anos o que faz com que comparação caia para 10 vezes o valor da energia elétrica que é entregue ao consumidor.

Se além disso, for também considerado que o sistema é interligado à rede e não mais um sistema isolado, a relação torna a cair para um valor de 10 para 3. Ao serem adicionados impostos, valores de custos ambientais e sociais, o custo da energia fotovoltaica passa a ser competitivo. Atualmente, com o aumento dos investimentos na construção de equipamentos que realizam a geração de energia solar e sua consequente instalação em plantas de grande porte ou em residências, teve uma redução de cerca de 50 % no preço desses equipamentos e essa redução vem ocorrendo em todo o mundo e também no Brasil. É possível também utilizar a tecnologia heliotérmica em adição a outras formas de energia como a da biomassa, do gás natural ou do carvão, fornecendo dessa maneira a disponibilidade de energia elétrica em qualquer ocasião.

TORRE SOLAR A torre solar ou Receptor Solar é um dispositivo que capta a luz do Sol para transformá-la em energia elétrica através de um processo térmico. O sistema de um torre solar consiste basicamente de quatro sub sistemas (XU, 2011): • Campo de helióstatos. • Receptor central. • Gerador de vapor. As usinas heliotérmicas irão, dentro das próximas décadas fornecer uma aprecável contribuição para uma eficiente, econômica e ambientalmente amigável produção de energia elétrica. Figura 15. Torre Solar – Ciclo de geração de energia elétrica. Fonte: http://energiaheliotermica. gov. Fontes de Energia e Meio Ambiente. Trabalho de Graduação. Universidade Federal de Juiz de Fora. BECQUEREL, E. “Memoires sur les effets electriques produits sous l'influence des rayons ”, Comptes Rendues 9 , 561. xiii. Disponível em: < file:///home/jabora/%C3%81rea %20de%20Trabalho/analise%20variacaoradiacao.

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