Energia Solar

1. Energia Solar
Elaborado por:
Carlos Arthur de Oliveira Fernandes RA 970352
Vinícius Mendes Guaronghi RA 971753
Uma das principais características de nossa sociedade, ao menos sob um ponto de vista
prático e material, é o aumento cada vez maior da demanda por abastecimento
energético. Esta é a condição para a existência de nossa indústria, nossos meios de
transporte e até mesmo a agricultura e a vida urbana. Enfim, é a condição para a
existência de nossa sociedade como a conhecemos.
Por milhares de anos a humanidade sobreviveu com base no trabalho braçal e animal.
As primeiras fontes de energia inanimadas, como rodas hidráulicas e moinhos de vento,
significaram um importante incremento quantitativo do regime de trabalho – ou
potência – mas o salto qualitativo só se produziu a partir dos séculos XVII e XVIII.
Observe a magnitude de algumas "fontes energéticas" (realizadores de trabalho)
bastante comuns:
Potência Observações
Homem 80 W Até 300 W durante períodos.
Burro 180 W
Mula 370 W

2. Boi 500 W
Cavalo 750 W
Moinho de água 1,5 – 1,8 kW Roda de alimentação com
diâmetro superior a 5 m.
Moinho de vento 1,5 – 6,0 kW Moinho de vento típico.
Máquina a vapor 5,2 – 7,5 kW Tipo estacionário antigo.
Automóvel de 1000cc 45 – 60 kW
Turbina a vapor Até 100 MW
O desenvolvimento do motor de combustão interna e de diversas turbinas
incrementaram tanto a potência das diversas unidades de produção como o número total
de unidades existentes e, portanto, aumentaram a capacidade de produção do homem e
seu consumo de combustível. O crescimento exponencial desse consumo se iniciou com
a Revolução Industrial do século XVIII.
Hoje em dia mais de 98% de nossa energia procede de combustíveis fósseis: carvão,
petróleo e gás natural. Por mais importantes que sejam, as reservas de combustíveis
fósseis são limitadas e, como a interrupção do consumo é praticamente impossível, o
ritmo atual de exploração de tais combustíveis é insustentável. O petróleo e o carbono,
além disso, são importantíssimas matérias primas para a indústria química e seu
desperdício como combustível é, no mínimo, uma falta de visão.
Até muito pouco tempo se dava por descartada a esgotabilidade da energia. Um homem
comum simplesmente desconhecia a intrincada rede formada pela produção de
combustível e a indústria que serve à sua comodidade. A divisão do trabalho, levada ao
limite, foi a responsável por essa posição de puro descaso – do pensamento: "não
importa de onde venha, se eu o obtenho" – que prevalecia em nossa sociedade de
consumo. Não fazíamos conta do valor inerente ao que possuímos. Esta é uma das
causas da alienação, da divisão entre a vida particular e a sociedade como um todo e os
processos naturais dos quais dependemos.
Nos últimos anos, no entanto, este quadro tem se alterado significativamente. Pessoas
comuns são melhor informadas, devido à crescente eficiência dos meios de
comunicação, o que gera um fortalecimento da consciência comum, quanto à
necessidade da manutenção de nossas reservas esgotáveis de energia e do
desenvolvimento tecnológico no setor de aproveitamento de fontes de energia
alternativas.
O Sol, além de fonte de vida, é a origem de toda as formas de energia que o homem
vem utilizando durante sua história e pode ser a resposta para a questão do

3. abastecimento energético no futuro, uma vez que aprendamos a aproveitar de maneira
racional a luz que esta estrela constantemente derrama sobre nosso planeta. Brilhando a
mais de 5 bilhões de anos, calcula-se que o Sol ainda nos privilegiará por outros 6
bilhões de anos, ou seja, ele está apenas na metade de sua existência e lançará sobre a
Terra, só neste ano, 4000 vezes mais energia que consumiremos.
Frente a esta realidade, seria irracional não buscar, por todos os meios tecnicamente
possíveis, aproveitar esta fonte de energia limpa, inesgotável e gratuita. Discutiremos, a
partir deste ponto, a disponibilidade da energia proveniente do Sol, os métodos de
captação desta energia e possíveis usos e aplicações.
A Terra recebe energia radiante do Sol a um regime de 173x1015
W (*), emitindo uma
quantidade idêntica. Esta é uma condição do equilíbrio. A emissão depende da
temperatura da Terra, ou seja, a temperatura do planeta tal qual o conhecemos é a
temperatura de equilíbrio na qual a admissão é igual à emissão de radiação. Assim, se a
admissão mudasse por qualquer razão, a temperatura de equilíbrio também se
modificaria.
(*) Área projetada da Terra = (6.3x106
)2
x 3,14 = 124x1012
m2
;
Constante Solar = 1395 W/m2
;
Energia recebida = 124x1012
x 1395 = 173x1015
W
Aproximadamente 30% da radiação entrante se reflete sem mudança na amplitude de
onda. Cerca de 47% é absorvida pela atmosfera e pela superfície terrestre, provoca um
aumento de temperatura e, em seguida, irradia-se novamente para o espaço. Apenas os
23% restantes penetram no sistema terrestre e passam a ser a força motriz de ventos,
correntes, ondas, modela nosso clima e proporciona o ciclo da água. Em última
instância, também será re-irradiado ao espaço.
Somente 0,02% do total, ou seja 40x1012
W penetra no sistema biológico, por
fotossíntese, nas plantas e em outros organismos "produtores". Uma pequena proporção
da energia armazenada como energia química em plantas e tecidos de corpos animais se
acumularam com durante milhões de anos, sob condições geológicas favoráveis, na
forma de carvão e óleos minerais, convertendo-se em nossas reservas de combustíveis
fósseis. Isto é um fato: o ritmo de formação de combustíveis fósseis (se existe) é
mínimo em comparação com o ritmo de consumo. Se desejamos evitar um esgotamento
de nossas reservas de combustíveis fósseis, devemos desviar o fluxo destas importantes
quantidades de energia provenientes do Sol e redirigi-las para que trabalhem para nós,
antes que se dissipem e sejam re-irradiadas ao espaço, como ilustra a figura abaixo
Pode se distinguir, basicamente, três formas de captação de energias solar: conversão
química, conversão elétrica e térmica.

4. As formas mais importantes de conversão química da energia solar são os processo
foto-bioquímicos. Os organismos biológicos classificados como produtores sintetizam
carbohidratos a partir de água e dióxido de carbono, absorvendo energia solar e a
armazenando em forma de ligações químicas. Essa energia se dissipa através da cadeia
alimentar e, em última instância é re-irradiada ao espaço.
A conversão direta da energia solar em energia elétrica pode ocorrer através de dois
processos: conversão termoelétrica e conversão fotoelétrica, cada um deles podendo ser
realizado de diversas maneiras.
Quando se aquece um eletrodo, alguns de seus elétrons adquirem suficiente energia para
escapar. Converte-se em um emissor de elétrons, um cátodo. Outro eletrodo colocado
próximo a este cátodo, se está suficientemente frio, receberá bem os elétrons emitidos,
convertendo-se num ânodo. Se o ânodo se conecta ao cátodo mediante a um circuito que
contenha uma carga externa, circulará uma corrente e poderá ser produzida ação. Uma
corrente elétrica significativa, no entanto, só se pode produzir a temperaturas muito
altas.
Em circuitos que consistam de dois condutores diferentes, se as duas uniões se mantém
a temperaturas diferentes, também será gerada uma corrente elétrica, ou uma diferença
de potencial, quando uma das uniões permanece aberta. Estes "Termopares" podem
igualmente ser utilizados para produzir ação útil. Quando vários deles são ligados em
série, forma-se a chamada pilha termoelétrica. A união quente pode ser aquecida através
de um coletor solar de placa plana.
Alguns materiais semicondutores podem ser dopados com quantidades diminutas (cerca
de uma parte por milhão) de outros elementos similares, mas com um elétron a mais ou
um elétron a menos que o semicondutor. O primeiro é chamado semicondutor tipo N e o
segundo tipo P. Por exemplo: Silício + arsênio – tipo N – um elétron a mais. Silício +
boro – tipo P – um elétron a menos.
Colocando-se em contato capas finas de ambos, formado um diodo, os elétrons cruzam
a junta P-N quando é exposta à radiação, gerando uma corrente elétrica (ou diferença de
potencial) que pode ser aproveitada. Esta é a descrição de um fotodiodo ou célula
fotovoltaica. Células mono-cristalinas possuem um bom rendimento mas são muito
caras. Células policristalinas são mais baratas, mas apresentam um rendimento quatro
vezes menor.
Os métodos de conversão térmica da energia solar se fundamentam na absorção da
energia radiante por uma superfície negra. Este pode ser um processo complexo, que
varia segundo o tipo de material absorvente. Envolve difusão, absorção de fótons,
aceleração de elétrons, múltiplas colisões, mas o efeito final é o aquecimento, ou seja, a
energia radiante de todas as qualidades (todas as amplitudes de onda) se transformam
em calor. As moléculas das superfícies se excitam, ocorrendo um incremento na
temperatura. O coeficiente de absorção de vários tipos de absorventes negros varia entre
0,8 e 0,98 (os 0,2 ou 0,02 restantes se refletem).
Parte deste movimento molecular (ou deste calor) se transmite a outras partes do corpo
por condução e parte se emite de novo ao meio ambiente mediante processos
convectivos e radiantes. A emissão de calor (perda de calor) depende da diferença de

5. temperatura entre a superfície e o ambiente. Em conseqüência, à medida que se aquece a
superfície, aumenta a perda de calor. Quando o regime de admissão de calor radiante é
igualado ao de perda de calor, alcança-se uma temperatura de equilíbrio.
Se a superfície da placa do absorvedor se cobre com uma prancha de cristal (com um
espaço de ar de 20-30mm), reduz-se muito a perda de calor, sem grande redução de
admissão de calor. Isto se deve a transmitância seletiva do cristal, que é muito
transparente para radiações solares de alta temperatura e onda curta, mas virtualmente
opaco para radiações infravermelhas de amplitude de onda maiores, emitidas pela placa
do absorvedor a cerca de 100o
C .
A conversão térmica da energia solar e suas aplicações serão mais detalhadamente
abordadas no transcorrer desta apresentação. Ante, porém, exporemos um apanhado
geral das aplicações mais usuais de todos os métodos de captação acima descritos.
Tratemos inicialmente dos sistemas de aproveitamento térmico (que, como já
mencionamos, detalharemos mais adiante). O calor recolhido nos coletores pode
destinar-se a satisfazer numerosas necessidade, desde a obtenção de água quente para o
consumo doméstico ou industrial, o aquecimento de casas, escolas, fábricas, até a
climatização de piscinas.
Outra das mais promissoras aplicações do calor solar será a refrigeração durante as
épocas mais quentes, precisamente quando há mais insolação. De fato, para obter um
resfriamento é necessário um "foco quente", o qual pode perfeitamente ter sua origem
em um coletor solar. Em países árabes já funcionam condicionadores de ar que utilizam
eficazmente a energia solar.
Aplicações agrícolas são muito amplas. Plantas de purificação ou dessalinização de
água , secadores e estufas podem funcionar com uma grande economia de energia, ou
mesmo sem nenhum consumo de energia.
As células solares, dispostas em painéis solares já produziam eletricidade nos primeiros
satélites espaciais e, atualmente, são uma solução para a eletrificação rural, com clara
vantagem sobre outras alternativas. A energia elétrica obtida a partir destas células pode
ser usada de maneira direta, como para se retirar água de um poço com uma bomba
elétrica, ou ser armazenada em acumuladores para ser utilizada durante a noite. É
possível, inclusive, inserir a energia excedente na rede geral, obtendo um importante
benefício.

6. Se se conseguir que o preço de células fotovoltaicas diminua, iniciando-se sua
fabricação em grande escala, é muito provável que , em pouco tempo, uma boa parte da
energia consumida em países ricos em radiação solar seja proveniente de conversão
fotovoltaica.
Carros solares também encontram-se em desenvolvimento, apesar de sua utilização ser,
ainda, inviável economicamente. Além dos carros solares, que armazenam a energia
solar convertida em baterias, há também os carros híbridos, que combinam a tecnologia
de conversão de energia através de células fotovoltaicas com as células de combustível
(fuel cells). A energia obtida, além de poder ser armazenada em baterias, pode ser
utilizada para a produção de hidrogênio (através da eletrólise da água), o qual
alimentará a célula de combustível, que acionará o motor.
Casas solares são, igualmente, aplicações bastante interessantes, sendo um desafio
tecnológico e arquitetônico, do qual trataremos mais adiante.
A partir deste ponto faremos um estudo mais minucioso dos métodos de conversão
térmica da energia solar, bem como seus usos e aplicações
Os captadores são a forma mais comum de captação de energia, convertem a energia
solar com baixo custo e de forma conveniente. O processo geral empregado é o de efeito
estufa, o nome vem da própria aplicação, em estufas, onde se pode criar plantas exóticas
em climas frios, pela melhor utilização da energia solar disponível.
Assim como as cores claras refletem a radiação, as cores escuras as absorvem e esta
absorção é tanto maior quanto mais próximo estas estiverem da cor negra, baseado nesta
propriedade é que as placas absorvedoras dos captadores planos são pintadas de preto
fosco. A propriedade da superfície negra aliada à propriedade que o vidro retém de
recuperar grande parte da radiação emitida pela superfície negra quando a lâmina de
vidro está colocada acima da placa absorvedora, foi aproveitada para a conversão de
energia radiante em energia térmica no coletor.
Quando a temperatura da chapa aumenta, emite um incremento de calor na forma de luz
infravermelha. O receptor preto tem as propriedades de corpo negro, alta taxa de
absorção, mas também alto coeficiente de emissão para todos os comprimentos de onda.
A emissão aumenta com a temperatura seguindo a lei da Quarta potência da temperatura
absoluta. A luz reemitida é de comprimento de onda progressivamente mais curto e
maior energia, com a elevação da temperatura do corpo negro. Isto é expresso pela lei
de Wien, que pode ser escrita como:

7. sendo T a temperatura superficial do corpo negro e λ max o comprimento em que a
emissão de luz atinge o máximo.
O Sol emite radiação como um corpo negro cuja temperatura superficial esta por volta
de 5700o
C; isto corresponde a uma emissão máxima a 0,5 µ m. Um corpo negro a
temperatura ambiente emite radiação com um máximo perto de 10 µ m, o que está
dentro do espectro da luz infravermelha, invisível. O vidro relativamente transparente à
luz visível é absorvente para a luz infravermelha emitida pela chapa negra quando
evacua sua energia térmica. A luz infravermelha absorvida pelo vidro é reemitida para a
chapa negra que a absorve de novo. Mais e mais calor é acumulado na chapa preta,
atinge-se o equilíbrio quando a energia ganha pela absorção de luz visível é exatamente
equilibrada pela perda de energia pela emissão infravermelha da chapa de vidro. Com a
elevação da temperatura, o comprimento de onda da emissão infravermelha torna-se
mais curto. A 200o
C (473K), a radiação máxima é emitida a cerca de 6 µ m, em
comparação com 10 µ m à temperatura ambiente. Finalmente, a cerca de 500o
C (773 K),
a maior parte da radiação seria emitida a 4 µ m, a cujo comprimento de onda o vidro é
parcialmente transparente para o infravermelho.
Segue-se que um efeito de estufa eficiente é possível apenas abaixo de 500o
C. Porém, a
menos que a concentração da radiação solar esteja combinada com o efeito de estufa, as
temperaturas de equilíbrio são muito inferiores porque na prática, a temperatura de
equilíbrio é ainda mais reduzida por perdas de calor da chapa negra, devido a
condutividade térmica e convecção no ar.
Uma variante do efeito estufa é mostrada na figura abaixo.

8. Quanto ao que concerne à emissão infravermelha, o plástico se comporta analogamente
ao vidro, a emissão infravermelha é absorvida pela colméia e parcialmente irradiada de
volta. O desempenho deste desenho esta relacionado com o diâmetro das células da
colméia e com sua altura.
Outro tipo de efeito de estufa existe, e pode ser usado independentemente ou combinado
com a estufa do tipo de chapa negra / vidro comum. Este efeito se baseia em superfícies
seletivas. Tais superfícies têm um elevado coeficiente de absorção na parte visível e
infravermelha do espectro. Diferente do corpo negro, porém, têm um baixo coeficiente
de emissão, ε = 0,02 para o infravermelho, além de um comprimento de onda de 2 µ m,
aproximadamente. Logo, uma superfície seletiva sozinha, sem uma chapa de vidro
aquecer-se-á à luz do Sol como uma estufa de chapa negra / vidro comum. Os
revestimentos seletivos são obtidos pela deposição de películas de vários metais, por
exemplo níquel negro eletrólito ou berílio; óxidos metálicos, por exemplo óxido de
cobre obtido quimicamente, sobre alumínio polido, óxido de cobalto ou óxido de níquel,
ou camadas de: Fe2O3, MgF2,SiO,SiN, depositadas a vapor, de modo a obter um efeito
de interferência na luz. O silício e outros semicondutores, com sua alta absortância na
faixa visível e transmitância no infravermelho, são também materiais seletivos. É
importante combinar uma alta absortividade com uma elevada relação de
absortância/emitância. Abaixo mostraremos algumas propriedades de alguns
revestimentos seletivos.
Película Absortância Solar α Emitância Solar
ε
Fator de Desempenh
ε
Tungstênio dentítrico 0,96 0,26 3,7
Silício sobre
Prata
0,76 0,06 (773 K) 12
Níquel Negro 0,90 0,08 (573 K) 11
Cromo Negro 0,98 0,19 (573 K) 5,1
Cromo Negro sobre níquel
prateado
0,93 0,19 (573 K) 4,8
Zr Ny
sobre prata
0,85 0,03 (600 K) 24

9. O mecanismo nas superfícies seletivas é o seguinte: fixam-se tubos na chapa, que ficam
nela integrados. Um líquido circula pelos tubos e transporta o calor ao consumidor. As
chapas receptoras com os tubos são montados num material com baixa condutividade
térmica. Na prática este desenho é muito ineficiente, por causa da perda de calor para o
ar ambiente em contato com a chapa aquecida. Portanto uma chapa de vidro é sempre
usada, porque não só irradia de volta metade da radiação térmica, mas também isola a
chapa aquecida da convecção aérea. O novo dispositivo atinge 150o
C, se nenhum calor
for dele extraído. Seu desempenho pode ser aperfeiçoado ainda eliminando a maioria
das perdas devidas a convecção aérea, se o ar entre a chapa de vidro e a chapa de
absorção for evacuado, a temperatura de regime constante pode elevar-se ainda mais.
Que eficiência poderia ser atingidas com coletores de chapa plana? Não há resposta
simples para esta pergunta, pois há toda uma faixa de rendimentos, dependendo não só
do parâmetros do projeto, mas também da intensidade da luz e das condições climáticas,
temperatura mínima da demanda, taxa de extração do calor, e outros. Uma outra
complicação é que o rendimento de um dado coletor não é constante ao longo do dia:
assim como uma sala não aquecida que inicialmente requer um calor extra antes de
atingir uma temperatura constante, o coletor inteiro, isto é, o vidro, o absorvedor de
metal e o isolamento à sua volta, bem como o ar que encerra, tem de ser aquecidos pelo
Sol da manhã, depois de uma noite fria. Portanto, todos os coletores solares operam com
saída máxima à tarde, quando a inércia térmica do sistema foi vencida.
Em operação normal, o rendimento global de um coletor de chapa plana, η c, de
qualquer coletor térmico solar pode ser expresso como o produto de um rendimento

10. óptico η o e de um rendimento de acumulação térmica, η t. O rendimento óptico é, em
primeira aproximação, independente da temperatura de operação do sistema e da
intensidade de luz, mas depende do ângulo de incidência da luz. O rendimento de
acumulação térmica, por outro lado, é função da temperatura do sistema e da
intensidade da luz.
O desempenho de um dado coletor de calor depende muito de sua localização. Nas
regiões onde a maior parte do tempo a intensidade solar é adversamente afetada por
nuvens, neblinas, e outros tipos de absorção atmosférica, o rendimento médio pode ser
substancialmente inferior aos climas ensolarados; pode mesmo mostrar-se impraticável
o uso do aquecimento solar durante parte do ano. Em qualquer caso, o uso dos coletores
solares exige um dimensionamento cuidadoso, levando em consideração pormenores
das condições climáticas do local do usuário. Isto demanda medidas precisas do perfil
da intensidade solar durante dias, semanas e anos.
As aplicações domésticas dos captadores se mostram presentes em aquecimento de água
sanitária, aquecimento de piscinas e de ambientes.
O aquecimento de água sanitária é bem simples, geralmente constituído por tubos, por
onde a água passa, próximos ao coletor.
A circulação da água através do coletor é garantida pelo efeito de termo-sifão,
provocado pela convecção por gravidade, ou seja, havendo Sol, o fluído aquecido no
coletor se desloca para cima, pois sua densidade é inferior à do fluído não aquecido. No
circuito estando fechado, o fluído quente por sua vez é substituído pelo frio que, então, é
aquecido no coletor e se desloca para cima. A circulação continuará esquentando o

11. coletor que continua sob a ação da radiação do Sol. A velocidade da circulação aumenta
com a intensidade da insolação.
Para garantir uma produção permanente de água quente, inclusive nos períodos ‘sem
Sol’, é preciso associar um sistema convencional de aquecimento de água ao sistema
solar, ou seja, o coletor sozinho não é um aquecedor completo; é preciso adicionar a ele
uma tubulação, uma bomba de circulação e sobretudo um sistema de aquecimento
auxiliar, convencional.
O aquecimento de piscinas se dá por um coletor solar separado. O coletor é instalado à
volta da piscina como uma grade. O próprio coletor pode ser muito simples, consistindo
de uma folha pintada de negro, encerrada em plástico. A água da piscina é alimentada
ao coletor por uma bomba, podendo ser a mesma bomba do filtro, e então passa pela
frente e pela traseira da chapa antes de voltar à piscina. Uma superfície
aproximadamente igual a da piscina, no coletor, é precisa para elevar a temperatura da
água de 1o
C.
Quando falamos de aquecimento de ambientes, lembramos de casas solares, que não são
uma idéia nova. As primeiras foram construídas na década de 30 nos EUA (casas
solares do Massachusetts Institute of Technology) e a partir da década de 60 na Europa,
sendo a primeira em Odeillo. Bom, como no caso do aquecimento de água sanitária,
temos o problema da armazenamento térmico, afinal durante o dia, quando a energia é
captada, é o período de menos necessidade, se não tivermos um sistema que conserve
esta energia em forma de calor em nosso fluído, de nada adianta o sistema se quando
mais necessitamos dele ele não nos atende. O processo pelo qual o fluído guarda a
energia nada mais é do que o dado pela simples equação de calorimetria que
aprendemos no colegial.

12. Nosso Q é medido em Cal (calorias), m em g (gramas), ∆ θ é nossa variação de
temperatura (K) e o c é o calor específico, ele dá a capacidade de armazenamento de
energia em forma de calor da substância, por isso é dado em Cal/g.K, na água este valor
é 1.
Além dos coletores, precisamos de outros meios que nos permitem armazenar esta
energia durante a noite. Estes sistemas compreendem:
1. Um sistema de transferência de calor para evacuar o calor solar
do coletor (tubulação).
2. Um armazenamento térmico.
3. Um sistema de regulagem.
Nos climas temperados, em nenhum caso é possível renunciar a um aquecimento
convencional de apoio integrado ao sistema de aquecimento solar.
Sem armazenamento , como já visto, o sistema solar forneceria aquecimento somente
nas horas de maior radiação, quando não se tem real necessidade. O objetivo deste,
portanto, é de, defasando a transferência de energia solar, garantir sua distribuição à
noite e nas manhãs de céu nublado, quando o aquecimento é necessário.
Podemos armazenar isto de duas formas: uma é aquecer uma massa conveniente de
qualquer substância, a quantidade de calor armazenada segue a equação acima exposta,
dependendo da massa, variação de temperatura e da substância, se o isolamento do local
de armazenamento é suficiente, o calor pode ser usado ulteriormente quando o material
de armazenamento entra em contato com o fluído assim como água ou ar, agindo como
meio de transferência; a segunda forma é se explorar as mudanças de fase que se
produzem em todas as substâncias. Para tomar o exemplo da água, quando o gelo a 0o
C
é transformado em água a mesma temperatura, o calor fornecido é equivalente ao que
foi necessário a esta mesma massa d’água para aumentar sua temperatura de 0 a 80o
C.
Abaixo mostraremos características de algumas substâncias particularmente adaptadas
ao armazenamento de calor.
Substância Ponto de
Fusão
Calor
específico
(Cal/g. K)
Densidade
(Kg/m3
)
Capacidade de armaze
térmico
(kWh/m3
) (kWh/103
Kg
Calor Sensível Água - 1 1000 58 (± 50o
C) 58 (± 5

13. Aço
Basalto
-
-
0,12
0,2
7900
2960
54 (± 50o
C)
35 (± 50o
C)
6,9 (±
12 (± 5
Calor Latente Cera de
parafina
Na2S2O2.
5H2O
Sais fundidos
(NaNO3)
38o
C
49o
C
265o
C
0,7
0,4
0,38
890
1460
2250
53 (± 0o
C)
115 (± 0o
C)
496 (± 360o
C)
60 (± 0
68 (± 0
220 (±
Calor de
dissociação
MgClH2O↔
MgCl+
H2O
190
Reação
Reversível
PbO2↔ Pb0
+1/2O
640
A cera de parafina e o sal de Glauber (Na2SO4.10 H2O) são substâncias usuais cuja a
mudança de fase oferece uma possibilidade de armazenamento térmico, em geral a
vantagem deste processo utilizando o calor latente (mudança de temperatura) é a
economia de volume de armazenamento, por exemplo para uma mesma capacidade
calorífica, um armazenamento com o sal de Glauber teria um volume duas vezes menor
que um de água; contudo existem as desvantagens também: uma o preço, o sal de
Glauber é infinitamente mais caro que a água, outra que o armazenamento com ele
apresenta sérias dificuldades em razão de sua forte predisposição à segregação. Escolhe-
se, pois, de preferência, um sistema a água. Conta-se correntemente de 0,06 a 0,12 m3
de água de armazenamento por m2
de coletor instalado.

14. Uma grande abordagem neste assunto esta na maneira de se integrar diferentes
componentes a um sistema operacional. Este problema comporta vários aspectos, nem
todos de natureza técnica. De início integram-se os coletores térmicos às casas, o que
levanta problemas de ordem arquitetônica, técnica e social.
Nos países industrializados e em desenvolvimento, há resistência contra a construção de
casa de concreto, geométricas, fora das áreas urbanas. Os coletores solares devem,
então, ser integrados harmoniosamente num estilo aceitável de arquitetura, mesmo ao
custo de desempenho reduzido. Na prática, isto nem sempre é fácil, particularmente se o
coletor é negro e deve ser usado na face sul (isto no hemisfério norte) ou na norte
(hemisfério sul) de uma casa solar, a face sul – pelo menos nos climas frios – é onde a
maioria das janelas é normalmente colocada. Isto causaria um problema estético e faria
com que as pessoas evitassem tal casa. Para minimizar estes problemas, as tendências
são coletores coloridos e coletores instalados em telhado extensos, assim evitando a
obstrução parcial ou completa das paredes sul das construções.

15. Estreitamente relacionado com o problema arquitetônico é a escolha do conceito
técnico, desenho e dimensionamento do sistema de aquecimento de ambiente. As casa
com aquecimento solar podem ser desenhadas de acordo com numerosos conceitos
diferentes originando-se em todas as combinações possíveis dos componentes básicos.
A figura acima mostra o princípio das casas solares mais antigas, construídas em
Washington, em 1959. A faixada sul é quase totalmente tomada por um coletor solar
ligado a um circuito de água. A água fria é bombeada para a entrada no topo do coletor.
Após aquecimento, a água flui para o tanque de armazenamento ou alicerce, que é
cercado por 50 toneladas de pedra. Num segundo circuito, uma ventoinha força o ar
para o tanque de armazenamento, onde circula à volta de pedras aquecidas e é então
liberado para o espaço habitável. Um sistema auxiliar de aquecimento é disposto para
injetar água quente, sempre que a radiação solar for insuficiente.
Pode-se fazer modificações no projeto de casa solar apresentado. Por exemplo, o tanque
de armazenamento poderia ser isolado termicamente, e o circuito secundário de ar,
eliminado. Ao invés disto, o espaço habitável seria aquecido por um circuito secundário
de água conectado à caixa d’água, como num sistema convencional de aquecimento
central. O circuito primário de água não pode ser usado diretamente, pois a água é
esfriada no coletor sempre que há radiação insuficiente; o fluxo de água no circuito
primário deve, claro, ser interrompido nessas horas.
Numa Segunda modificação do desenho básico, os materiais de mudança de fase
poderiam ser integrados ao tanque de armazenamento, de modo a reduzir seu volume e
as perdas de calor. Uma mudança mais fundamental poderia ser conseguida eliminando-
se completamente a água, trocando-a pelo ar como meio de transferência no circuito

16. primário, isto é, o circuito do coletor. O calor poderia ser armazenado nas pedras ou em
substâncias de mudança de fase como o sal de Glauber.
Há certos problemas com as casas solares, o clima, o fator isolamento. Durante os três
meses de verão, quando a demanda é quase nula, a radiação é máxima, ao passo que no
inverno, a situação fica invertida. Ocorre imediatamente a idéia de armazenar no verão
uma parte do excesso de calor para utilizá-lo durante os meses de inverno. Mais da
metade da demanda global relativa ao aquecimento de ambientes se produz durante os
meses de inverno: dezembro, janeiro e fevereiro, no hemisfério norte. Para armazenar
esta quantidade de calor no verão, seria preciso um volume de armazenamento de 500
m3
, se o armazenamento é feito com água. 500 m3
representam, tomando por exemplo
uma casa de 1975 em Havre, com um volume de 290 m3
(116 m2
de superfície), quase o
dobro do volume da casa! E o que é pior, seria preciso um reservatório perfeitamente
isolado termicamente, o que não é possível executar, atualmente.
A única solução possível é captar o calor durante os meses de inverno, para o uso
imediato. Mas na região considerada, recebem somente 6,5% da radiação anual, pois no
inverno, a insolação é freqüentemente alterada por céu encoberto.
Uma redução na radiação solar diminui o rendimento do coletor. No mês mais
desfavorável o sistema de aquecimento solar da casa escolhida como exemplo só
fornecia 3% da demanda de aquecimento. Seria preciso teoricamente uma área de 1500
m2
de coletores para fornecer a energia requerida para esse mês. Uma tal área é
praticamente impossível para uma residência só e seria demasiado cara. É preciso, pois,
deixar de lado a idéia de se basear totalmente na energia solar para o aquecimento de
ambientes, ao menos nos climas desfavoráveis, nos meses de inverno. Todas as casa
solares já construídas possuem uma instalação auxiliar elétrica ou a óleo para o
aquecimento. Conclui-se, então, que as tentativas de construção de casas ‘superisoladas’
ou de ‘energia zero’ resultaram em fracasso, pois demonstra-se impossível o
aquecimento a 100% por energia solar no inverno.
Perante os custos elevados das casas solares clássicas, os técnicos sentiram a
necessidade de abandonar as partes anexas de uma casa solar ativa, bomba de
circulação, encanamento, armazenamento líquido, que aumentam consideravelmente
seu custo. A figura abaixo mostra o princípio da casa solar passiva.

17. Uma fachada sul serve a um tempo para absorção e armazenamento. Constitui-se de
uma parede espessa de piche e um vidro colocado de modo a deixar um espaço para a
circulação de ar. O ar é aquecido pelo Sol e introduzido no interior da casa por efeito de
termossifão. O calor absolvido pelo ar é disponível para uso imediato. Uma parte do
calor penetra na parede onde está armazenada, se bem que a superfície interior da
parede reemite um pouco de calor. O tempo do calor necessário ao calor para atravessar
a parede depende da condutividade térmica da pedra, da diferença de temperatura entre
as superfícies exteriores e interiores da parede e da espessura da parede. A
condutividade térmica da pedra é vizinha de 2Wm-1
K-1
. O que significa que no caso de
um metro de espessura, é preciso de uma hora para que 100 Wh atravessem uma parede
de 1 m2
de superfície, mantendo a 50 o
C a diferença de temperatura entre as duas faces
da parede. A espessura da parede pode ser escolhida de modo que a maior parte do calor
chegue à face interior da parede após o pôr do Sol.
Sua simplicidade e, por conseguinte, seu custo relativamente baixo dão interesse ao que
se chama, na literatura anglo-saxônica, ‘parede Trombe’.
Finalmente, o termo ‘casa solar passiva’ significa um conceito arquitetônico global bem
engendrado. Pode-se dizer que é preciso reunir à casa seu ambiente solar natural de
maneira ótima no plano energético e estético.

18. Assim, trata-se de deixar entrar pelas janelas uma quantidade máxima de luz nos climas
frios, e mínima nos climas quentes, dar uma capacidade de armazenamento inerente às
paredes e outros elementos construtivos, associar, onde for possível, plantas, uma estufa
ou jardim de inverno à parede onde há calor com o exterior.
O Sol ocupou as mais diferentes posições – de deus a centro de nosso sistema planetário
– na história da humanidade, mas o homem sempre reconheceu sua inegável
importância e beleza.
Neste final de milênio, voltamos novamente nosso olhares ao Sol, atentos para mais
uma de suas iminentes posições: a de fonte alternativa de energia para nosso futuro.
Sabemos que nossas reservas de combustíveis fósseis se esgotarão e devemos nos
preparar para isso, aprendendo a manusear a energia que o Sol lança gratuitamente em
nosso planeta.
Os métodos de captação e conversão de energia solar, atualmente, apresentam um
rendimento muito aquém do teoricamente possível. Os preços dos equipamentos
necessários para a substituição de um sistema convencional de obtenção de energia por
um sistema que transforme a energia radiante proveniente do Sol ainda tornam, na
maioria dos casos, esta opção inviável ou desinteressante.
Devemos trabalhar para reverter esta realidade, desenvolvendo a tecnologia deste setor,
a fim de alcançar o máximo rendimento possível em seus equipamentos, tornando o seu
uso viável.

19. Atualmente existem varias aplicações, algumas dais quais apresentamos nesta
exposição, ainda que muito brevemente, devido a grande variedade e complexidade dos
assuntos. Esperamos com isso incentivar o uso e o aprimoramento dos métodos
apresentados, assim como a pesquisa acerca de novas maneiras de aproveitamento da
energia solar.
Bibliografia
1. Energia Solar y Edificacion; Szokolay, S. V., Editorial Blume, 1978.
2. Energia Solar e Fontes Alternativas; Palz, Wolfgang , Hemus Livraria Editora
Limitada, 1981.
Imagens
• Figuras: digitalizadas a partir das figuras da referência [2];
• Fotos: -Comptons Interactive Encyclopedia, 1995;
- New Grolier Multimedia Encycloedia, Release 6, 1993;
- Internet.