ENERGIA SOLAR TÉRMICA
Eng. Jorge A. Poppi
1. O Que é a Energia Solar
As pessoas que habitamos este planeta derivamos TODA a energia de três fontes:
• A geotérmica, ou radioatividade. Essa energia provém, em sua maioria, do calor
originado por isótopos radioativos localizados na terra e pelo ressaibo de calor do
momento de sua origem, especialmente causado pelos múltiplos impactos de meteoritos
que formaram nosso planeta.
• A gravitacional produzida pelas marés.
• MAS DE FORMA INDISCUTÍVEL, a principal energia é, foi e será o sol.
o Captada durante milhões de anos por algas, plânctons e plantas através da
fotossíntese, e acumulada em depósitos de petróleo, carvão e gás.
o Que produz o vento ao aquecer atualmente a atmosfera e, ao evaporar a água,
provoca chuvas que alimentam as centrais hidrelétricas.
o Ao aquecer a superfície dos coletores solares produz energia que, em forma de
calor, aquece a água.
o Ou que ao, incidir nas células fotovoltaicas, produz corrente elétrica.
A energia do Sol é de origem nuclear. No interior do Sol acontecem reações de fusão
nuclear, similares ao processo de explosão de uma bomba de hidrogênio: unem-se
núcleos de átomos leves, como hidrogênio e hélio, para formar átomos mais pesados.
Neste processo são liberadas enormes quantidades de energia. Semelhante a uma
explosão de 100.000.000.000.000 de bombas atômicas POR SEGUNDO.
A energia alcança o Planeta Terra através da radiação solar. Em somente 1 segundo
chega a nosso planeta uma potência equivalente a milhares de vezes a potência instalada
hoje pela humanidade, com uma quantidade de energia igual a 8.000 vezes o consumo
total e que representa 10 vezes todas as reservas existentes atualmente de carvão, gás e
petróleo.
2. Energia solar térmica
Em primeiro lugar, devemos explicar uma confusão muito comum entre as pessoas: o
processo de aquecimento de água não é energia como sim o seria a eletricidade. Embora
o conceito de “calor” não seja energia para a física, “aquecer água” sim é. Quer dizer
que a transferência de calor é verdadeiramente um tipo de energia: energia
termodinâmica. Realmente, o Watt utilizado hoje como unidade de potência elétrica ou
de energia, o kWh, é uma homenagem a James Watt, quem estudou a energia
transmitida através do calor em uma máquina a vapor (ele denominou-a “cavalo de
vapor”, pois comparou-a ao trabalho que um cavalo podia realizar).
A energia da luz solar é captada através de coletores que a convertem em energia
calorífica para o aquecimento de água, ou através de paredes especiais que aquecem o ar
(parede Trombe). A luz interage com a matéria de forma diferente, se refletindo
novamente ou absorvendo conforme sua cor ou comprimento de onda (ver gráfico).
(Nota: Neste artigo não serão tratadas as grandes estações solares térmicas de geração
de energia elétrica).
Espectro solar
1. Camada de absorção
Geralmente é possível dizer que a potência lumínica média diária que brinda o sol está
na ordem de 500 e 1500 Watts por metro quadrado. A maior parte da energia encontrase no espectro visível. Por esse motivo, a superfície de absorção dos coletores é negra
porque não reflete nenhuma cor (o branco reflete todas as cores). Assim, as superfícies
negras aquecem-se mais.
2. Orientação
Pelo fenômeno de reflexão e absorção da luz em uma superfície, a máxima absorção
acontece ao incidir normalmente nessa superfície. Mas o sol não está estático no céu.
Durante o dia, ele se movimenta de Leste a Oeste (se diz que forma um ângulo azimutal
respeito do Norte), e as sombras se alongam ou encurtam segundo a altura que tiver o
sol no horizonte (este ângulo é denominado zenital). Também, a altura máxima do sol
ao meio-dia muda durante as estações, sendo máxima no solstício de verão e mínima no
inverno. Portanto, para maximizar a captação no hemisfério sul, o coletor deve ser
instalado em direção norte e com uma inclinação que dependerá da latitude geográfica
da sua instalação. Para otimizar a captação ao longo do ano, sua orientação recebe uma
inclinação que coincide com a latitude do lugar. Para otimizar a captação no inverno,
período onde geralmente é mais necessário, acrescenta-se entre 10° e 15° à latitude (no
centro da Argentina 32°+15°=47°, por exemplo).
Uma vez aquecida, a superfície deve transferir esse calor para a água. Dali em diante, os
coletores solares para água serão divididos em dois tipos: os planos e os de tubos a
vácuo.
i. Coletores planos
O calor absorvido deve ser transmitido da maneira mais eficiente possível para a água.
Os coletores solares planos contam com pequenos tubos unidos ou impressos na
superfície negra de absorção, por onde passa a água. Eles tomarão o calor da camada de
absorção. Para que a transmissão de calor aconteça em maior medida para a água e não
para o ambiente, é possível isolar o coletor e impedir o vazamento de calor por
convecção ou condução. Para isso, geralmente é colocado um material isolante embaixo
do coletor e uma prancha de vidro por cima. Ao refletir a radiação infravermelha evitase a perda de calor por emissão, fenômeno conhecido como ”efeito estufa”.
Coletor plano vidrado padrão
ii. Coletores de tubos a vácuo
Os coletores com tubos a vácuo contam com importantes diferenças respeito dos
coletores convencionais:
o A superfície de absorção é aplicada em um cilindro, pelo que segue passivamente ao
sol. O coletor está sempre perpendicular ao ângulo azimutal.
o O isolamento obtém-se com tubos a vácuo, como os utilizados nos termos
convencionais. Portanto, a perda de calor é extremamente baixa independente da
temperatura exterior, mesmo alcançando -50°C.
o Em coletores com “tubos de calor” não há circulação de água nos tubos, e a
transferência acontece inclusive em condições desfavoráveis, especialmente durante o
inverno.
Coletor tubo a vácuo
3. Instalações para água solar quente
Uma vez instalado o coletor, a água aquecida durante o dia deve ser acumulada para
atender às necessidades das 24 horas da jornada. Para esse fim, é preciso efetuar a
acumulação em um tanque isolado termicamente em forma adequada. Uma exceção é o
aquecimento de piscinas, onde o acúmulo é efetuado diretamente na massa de água da
piscina, porque as mudanças de temperatura são pequenas em função da grande massa
inercial.
Principalmente, existem dois tipos de sistemas: os de circuito aberto e os de circuito
fechado.
i. Circuito aberto. Nesses sistemas é utilizada a mesma água que passa pelo coletor, mas
não são convenientes em climas com riscos de geadas ou quando é preciso garantir a
longa vida útil do coletor.
ii. Circuito fechado. Neles sempre circula o mesmo fluído pelo coletor, e utiliza-se um
intercambiador de calor para levar a energia até a água. Este sistema permite um
controle anti-congelamento e evita o problema da corrosão e contaminação sanitária.
Sistema Solar de Circuito Fechado: 1. Coletor solar 2. Boiler de armazenamento 3.
Aquecedor de água de apoio a gás ou elétrico 4. Painel de controle
4. Usos de coletores solares
Os coletores solares podem reduzir entre 35 % e 70% o consumo de energia
convencional no fornecimento de água quente de consumo domiciliar, comercial em
hotéis, escolas ou fábricas, em aquecimento domiciliar e de piscinas. Na área rural é
aplicado em tambos, lavagem de estufas, secadores agrícolas, estações de purificação ou
dessalinização de águas.
No mundo, a energia solar térmica representa 56% do total de potência das energias
renováveis (eólica, geotérmica, fotovoltaica) instaladas em 49 países. Isso inclui países
desenvolvidos e em vias de desenvolvimento. Em nosso país, em função de que 30% do
gás consumido na Argentina é utilizado no setor residencial, mas 70% deste último é
usado no aquecimento de água ou climatização, os coletores poderiam diminuir em até
20% seu CONSUMO TOTAL DE GÁS NA ARGENTINA.
Fonte: International Energy Agency, UNDP’s World Energy Assessment: Overview
2010 Update
Fonte: International Energy Agency, UNDP’s World Energy Assessment: Overview
2010 Update
A energia solar térmica é a mais testada e a mais antiga das energias renováveis. Os
feitos mais importantes em sua evolução são:
o 1760. O suíço Horace de Saussure descreve cientificamente o efeito térmico solar, às
vezes denominado efeito estufa.
o 1880. Clarence Kemp pesquisa coletores solares para água quente e, em 1891,
comercializou seu primeiro coletor, o Climax, em Maryland, EUA. Este coletor
aproveita mais de 40% da energia solar.
o 1910. Mais da terceira parte dos lares em lugares como Pasadena, na Califórnia,
recebem abastecimento de energia térmica solar.
o 1988. É patenteada a tecnologia de coletores solares com tubos a vácuo e amplia o uso
da energia térmica solar a todos os climas.
Do ponto de vista ecológico, é considerada uma das mais vantajosas na neutralização da
mudança climática. A pegada de carbono de um coletor, fator fundamental a levar em
conta do ponto de vista ecológico, é a menor de todos os sistemas alternativos. Um
coletor padrão pode compensar a contaminação que produz sua fabricação em um
período de 18 meses, pelo que existe uma economia líquida de GEI (gases de efeito
estufa) de mais de 30 anos.
Desenho totalmente modular e adaptável a cada necessidade. Cria mais fontes de
trabalho local para especializações básicas.
Relação custo-eficiência
Combinando tecnologias como superfícies de absorção seletiva e isolamento térmico,
atualmente os coletores solares térmicos obtém até 85% de eficiência. É interessante
comparar esta eficiência com o máximo de 14% alcançado pelos sistemas fotovoltaicos
comerciais. Hoje, o custo médio por kWp de um coletor solar é de US$ 0,80, contra
US$ 8 dólares do fotovoltaico.
Para compreender a importância do calor como energia é preciso considerar que a água
é aquecida com gás ou eletricidade. E que a energia utilizada neste propósito, tanto
residencial quanto industrial, está muito de ser desprezada. Hoje, estima-se que 20% do
fornecimento de gás é usado somente para água quente e aquecimento. O Departamento
de Energia dos Estados Unidos situa a água quente como o segundo consumo energético
domiciliar.
Impacto ambiental e social
Na instalação de um coletor solar para aquecimento de água, uma família padrão
economiza, em média, a emissão de 1400 kg CO2 anuais. Seria o equivalente a plantar
500 árvores. Se pensarmos que uma cidade, para combater a mudança climática, planta
árvores para beneficiar a absorção de CO2, um único coletor solar no teto de uma casa
seria quase equivalente a plantar todo um bairro.
Como já esclarecemos várias vezes neste artigo, a energia térmica solar é,
principalmente, energia “distribuída”. Há instalações individuais realizadas por pessoas
sem acesso à rede de gás ou comprometidas na lucha pela mudança climática. Mas não
há “grandes projetos” em andamento no país. Mas sim existem iniciativas municipais,
como a da cidade de Rosario, que estimulam ou regulam uma porcentagem obrigatória
de água quente sanitária solar para edifícios públicos em construção.
Contrariamente à Argentina, mais de 100 países contam com funcionários
governamentais especializados no estudo da melhor maneira de estimular a instalação
de coletores solares. Esses países são Brasil, África do Sul, México (para não citar
aqueles que obviamente, já possuem o sistema, como EUA, Canadá, Alemanha, etc.).
Uruguai ingressou recentemente nesta lista. Infelizmente, ao não produzir eletricidade, a
legislação argentina nem sequer considera que este tipo de energia seja renovável.
Do ponto de vista de sua potencialidade na geração de novos empregos, conforme o
estudo da SHC, a instalação de coletores solares criou 200.000 postos de trabalho nos
49 países que participam deste estudo, aproximadamente. Mas ainda, contrariamente à
energia eólica ou à fotovoltaica, a instalação de um coletor solar não requer de grandes
projetos nem de profissionais credenciados, engenheiros ou projetistas. Esses trabalhos
são especialmente focados em pessoas com especializações básicas (como mestres-deobras, encanadores, eletricistas, etc.). Portanto, a energia térmica solar é aquela que
criou mais postos de trabalho local por MW instalado que qualquer outra energia
renovável.
Finalmente, é preciso destacar que uma região do NOA é a área com mais insolação do
mundo.