AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

CÉLULA FOTOVOLTAICA OU CÉLULA SOLAR
PAINEL FOTOVOLTAICO OU PAINEL SOLAR
AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA

INTRODUÇÃO

A energia solar fotovoltaica é uma fonte ou forma de energia baseada na tecnologia de geração de eletricidade fotovoltaica, por meio de painéis fotovoltaicos ou painéis solares compostos por módulos de células fotovoltaicas ou células solares. É uma fonte limpa e inesgotável de energia baseada no aproveitamento de uma fração muito pequena da imensa capacidade de geração de energia do Sol, que, na verdade, é a principal fonte de energia do planeta Terra.

A rigor, o Sol é, provavelmente, o principal, o mais importante, responsável pela vida em geral no planeta Terra. A energia solar, absorvida pelas plantas no fenômeno da fotossíntese, por exemplo, é vital para o seu desenvolvimento e, por consequência, dos animais vegetarianos, que obviamente se alimentam de vegetais, e dos animais carnívoros que, por sua vez, se alimentam de animais vegetarianos.

O Sol é, inclusive, o principal responsável pelos importantes fenômenos naturais relacionados à geração dos diversos tipos de energia consumidos pelos ser humano. Por exemplo: A energia do sol altera o estado físico da água dos mares, rios e lagos, com a consequente evaporação resultante do aquecimento da água. Na sequência vem, naturalmente, a condensação dela para a formação de chuva, que resulta no reinício do ciclo de represamento de água necessária para abastecer os grandes reservatórios de água das usinas hidrelétricas.

BASE TEÓRICA

A energia solar é consequência direta de reações nucleares dentro do Sol, quando os seus átomos de hidrogênio formam átomos de hélio, gerando assim uma gigantesca quantidade de energia. Só pra se ter uma ideia, em apenas um segundo o Sol gera mais energia do que toda a humanidade conseguiu, em toda sua história, gerar energia aqui no planeta em que vivemos.

Em um contexto de Astronomia, o fenômeno de fusão nuclear é a conversão de hidrogênio em hélio, em que a força da gravidade dá sua parcela de contribuição para essa imensa liberação de carga de energia. O Sol é uma estrela de média grandeza, isso significa que há no Universo estrelas muito maiores e muito mais potentes que ele. O Sol é a estrela central do Sistema Solar, do qual o planeta Terra faz parte. Ele é realmente muito grande, tem aproximadamente 1.300.000 vezes o tamanho do planeta em que vivemos, considerando volume.

Durante esse processo, a energia gerada no interior do Sol vai para a sua superfície, conhecida como fotosfera, e a partir desse momento ela se irradia para o espaço, em todas as direções. Para nossa tranquilidade, apenas uma pequena porcentagem de toda a energia gerada pelo Sol chega até o planeta Terra, e se não fosse assim a vida não existiria aqui, seria quente demais.

Essa energia irradiada pelo Sol chega ao planeta Terra através das partículas de energia chamadas fótons. Essas partículas se deslocam a uma velocidade de 300.000 quilômetros por segundo, por isso levam cerca de oito minutos para chegar à Terra, que está a aproximadamente 150 milhões de quilômetros do sol.

Apenas para efeito didático de comparação, o Sol libera a cada segundo energia equivalente a um bilhão de bombas atômicas, consumindo 600 toneladas de hidrogênio a cada segundo. Os fótons são os componentes básicos da irradiação eletromagnética, eles são conhecidos também como luz, são gerados pelo Sol em seu interior e viajam no espaço a velocidade altíssima.

CRIAÇÃO E DESENVOLVIMENTO

A célula fotovoltaica ou célula solar é um componente que converte os raios solares em energia elétrica, ela é um dispositivo capaz de converter a luz em energia elétrica, esse fenômeno é chamado de efeito fotovoltaico. As células solares são agrupadas e formam um conjunto chamado painel solar. O painel solar e as baterias que acumulam essa energia gerada são a base tecnológica do sistema de geração de energia solar fotovoltaica.

Pelo que se sabe, a base científica para a posterior criação e desenvolvimento das tecnologias de geração de energia solar fotovoltaica tiveram origem em 1839, com a demonstração experimental do físico francês Alexandre Edmond Becquerel, que construiu a primeira célula fotovoltaica. Outro cientista, Willoughby Smith, descreveu pela primeira vez a teoria relacionada, segundo ele, ao efeito da luz em selênio durante a passagem de uma corrente elétrica. O estudo foi publicado na Revista Nature, em 1873.

Anos depois, em 1883, foram construídas as primeiras células fotovoltaicas pelo cientista Charles Fritts, cobrindo o selênio com uma camada fina de ouro, porém a eficiência do dispositivo naquela época estava muito limitada ainda.

A eficiência da tecnologia de geração de energia fotovoltaica teve um avanço muito significativo com o desenvolvimento da altíssima tecnologia espacial, a partir da adoção de materiais mais refinados, mais nobres, como o arsenieto de gálio ou arseneto de gálio. Ela foi melhorada na década de 1960 por governos de países tecnologicamente avançados, em parceria com institutos de pesquisa e a iniciativa privada, para suprir de eletricidade os primeiros satélites criados pelo ser humano e lançados para a órbita da Terra.

Posteriormente, anos depois, parte dessa tecnologia foi transferida para a iniciativa privada para suprir de eletricidade aqui na Terra os equipamentos, aparelhos, sistemas e dispositivos, elétricos e eletrônicos, que estão fora do alcance das grandes e potentes redes cabeadas convencionais de energia elétrica ou temporariamente distantes dessas redes, sejam instalados em imóveis ou sejam embarcados em veículos ou carregados em mochilas, bolsas ou malas pelos seus usuários. A calculadora portátil a energia solar é um exemplo tipico de pequeno dispositivo utilitário que não depende das grandes redes de energia convencional, ela pode ser levada no bolso ou na mala do usuário para qualquer lugar do mundo, sem perda de autonomia.

Entretanto, com o passar do tempo, com aumento substancial da eficiência tecnológica desse tipo de geração de energia, com o ganho de escala nos processos produtivos e a consequente redução dos seus custos de aquisição e de manutenção, a tecnologia de geração de energia solar fotovoltaica passou a ser usada também para suprir de eletricidade uma variedade de equipamentos, aparelhos, sistemas e dispositivos, elétricos e eletrônicos, instalados em residências ou instalações industriais e comerciais, urbanas ou rurais, onde já havia o fornecimento regular de eletricidade por meio das grandes redes cabeadas, com o objetivo de reduzir os gastos com energia elétrica convencional ou para servir como nobreak de eletricidade, que entra imediatamente em ação quando há interrupção temporária no fornecimento de eletricidade da rede convencional.

A eficiência atual dos sistemas terrestres de geração de energia elétrica fotovoltaica é de cerca de 16% e a eficiência dos sistemas espaciais para geração dessa energia é maior, de cerca de 28%, em parte devido ao uso do arsenieto de gálio nos sistemas espacias, incluindo os satélites e a ISS - International Space Station, traduzindo Estação Espacial Internacional. A intensidade da radiação solar sobre a superfície terrestre é o equivalente a aproximadamente 1.000 watts por metro quadrado, portanto é óbvio que há ainda um longo caminho a percorrer no sentido do aumento de eficiência dos sistemas terrestres de geração de energia solar fotovoltaica.

A tecnologia de geração de energia solar fotovoltaica é considerada um tipo de geração limpa de energia, ou seja, ela é considerada uma fonte de energia sustentável ou renovável, embora não seja tão eficiente em termos de capacidade / potência de geração que a energia hidrelétrica e a energia eólica, que também são sustentáveis ou renováveis. Aliás, a energia hidrelétrica não é totalmente imune a controvérsias sobre seus impactos ambientais, embora seja muito eficiente, na verdade ela tem lá suas polêmicas. A energia eólica é a mais limpa e renovável que existe, ela é quase 100% ecológica.

A tecnologia de geração de energia solar fotovoltaica está dividida em dois tipos de sistemas, os sistemas fotovoltaicos conectados à rede convencional de energia elétrica e os chamados sistemas autônomos.

AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA

Logo acima e logo abaixo, duas ilustrações esquemáticas simplificadas que relacionam os componentes do sistema de aquecimento solar de água e suas relações dentro do processo de aquecimento da água e de armazenamento da água já aquecida. O sistema de aquecimento solar de água é mais simples e mais barato que o sistema de geração de energia solar fotovoltaica, no entanto as suas funções não são idênticas, são equipamentos com utilidade diferentes, embora com alguns pontos em comum.

O aquecedor solar de água é um sistema básico, simples e relativamente barato de aquecimento de água por meio da energia solar, atuando diretamente sobre os componentes escurecidos de metal e de plástico que formam o coletor solar, que aquece a água. O calor solar atua diretamente sobre as placas do aquecedor solar e aquece as aletas de alumínio e as tubulações de cobre, enquanto a água circula dentro das tubulações de cobre, impulsionada naturalmente por diferenças de temperatura ou por meio de motobombas.

É importante não confundir o sistema de geração de energia solar fotovoltaica, mais sofisticado, composto por painéis solares, com o simples e barato aquecedor solar de água instalado em muitas residências de classes média e alta no Brasil e em muitas instalações industriais e comerciais. Existem diferenças significativas entre o gerador de energia solar, que utiliza painéis solares para geração de energia elétrica e baterias para armazenamento dessa energia, e o simples aquecedor de água instalado em residências e instalações de empresas e outras organizações, para simples aquecimento de água.

O aquecedor solar de água é um sistema composto pelo coletor solar e pelo reservatório. O coletor solar possui serpentinas de cobre embutidas em uma estrutura escurecida de metal e de plástico para simples aproveitamento dos raios solares no aquecimento da água que flui por dentro das serpentinas ou tubulações. Após aquecida a água é depositada em um reservatório com isolamento térmico, o boiler, para manter a temperatura, e posteriormente enviada por encanamento para as torneiras e chuveiros dos usuários.

A tecnologia utilizada pelos aquecedores solares para aquecimento de água é a de energia solar térmica, baseada no efeito fototérmico, que consiste na captação da irradiação solar e sua conversão simples e direta em calor.

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Logo acima, ilustração simplificada da Universidade Federal de Santa Catarina, que expõe de forma resumida o modo de funcionamento do sistema fotovoltaico conectado à rede convencional. Esse sistema possibilita ao usuário enviar para a rede convencional de eletricidade o excedente de energia fotovoltaica produzido em sua propriedade, com desconto em sua conta convencional de energia elétrica equivalente ao preço de mercado da energia fotovoltaica excedente. Logo abaixo, um sistema de geração de energia solar fotovotaica de larga escala fabricado pela gigante americana General Electric, uma das maiores do setor.

Voltando ao assunto energia solar fotovoltaica, como já dito anteriormente, o efeito fotovoltaico foi observado inicialmente por Edmond Becquerel em 1839. Esse efeito consiste no fenômeno de diferença de potencial nos extremos de um semicondutor, quando ele absorve a luz visível.

Os sistemas baseados na geração de energia solar fotovoltaica têm as seguintes vantagens:

Matéria prima praticamente inesgotável, os raios do Sol;
Não há emissão de poluentes durante a geração desse tipo de eletricidade;
Os sistemas podem ser instalados em quase todo o planeta;

Os sistemas baseados na geração de energia solar tem alguns pontos fracos:

Eficiência ainda baixa de geração dos sistemas terrestres, em torno de 16% para cada equipamento gerador, considerando a potencialidade total disponível no planeta em que vivemos.
A aquisição e instalação dos equipamentos de captação, conversão e os acumuladores (baterias) ainda requerem investimentos mais elevados que a simples instalação de energia elétrica convencional das grandes redes tradicionais cabeadas.

Parece não haver consenso entre cientistas e técnicos sobre queda de desempenho do sistema de geração de energia elétrica fotovoltaica nos dias nublados e chuvosos. Há profissionais que afirmam não haver queda significativa ou considerável de desempenho, enquanto outros afirmam que o sistema tem desempenho variável entre os dias nublados e chuvosos e os dias de céu aberto.

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Os sistemas de geração de energia solar fotovoltaica estão divididos em três tipos ou grupos, os chamados sistemas isolados, os chamados sistemas conectados à rede e os sistemas considerados híbridos:

Sistemas On-Grid: Esses sistemas são conhecidos também como sistemas conectados à rede convencional pública de energia elétrica. Eles estão sub-divididos em dois tipos, o primeiro é composto por fazendas ou usinas solares, com a principal finalidade econômica e de projeto de gerar energia elétrica de larga escala e injetá-la diretamente e instantaneamente na rede convencional pública, e o segundo de uso predominantemente residencial e/ou comercial para consumo próprio, mas cujo excedente de produção é injetado imediatamente na rede pública convencional, com o objetivo de obter descontos na conta convencional de energia elétrica;
Sistemas Off-Grid: Conhecidos também como sistemas isolados. Eles não têm contato com a rede de distribuição de eletricidade da concessionária de energia elétrica e possuem os chamados acumuladores, que nada mais são que baterias, para o uso da energia elétrica de dia, quando nublado e / ou chuvoso, e a noite, quando não há sol e, portanto, não há geração de energia.
Sistemas Hibridos: Esses sistemas combinam, de uma forma ou de outra, as características dos dois sistemas citados acima, o On-Grid e o Off-Grid;

Atualmente, o sistema On-Grid sem uso de acumuladores, isto é, baterias, tem sido o mais adotado por grande parte dos clientes pessoas físicas e jurídicas no Brasil, principalmente porque é o sistema mais acessível e economicamente mais vantajoso, já que o excedente de energia elétrica fotovoltaica produzido no estabelecimento comercial e/ou na residência do cliente traz um retorno financeiro, o chamado payback, em torno de 8 anos após a instalação do sistema. Isso significa que, durante os 8 primeiros anos de instalado, o sistema traz uma economia na conta convencional de energia elétrica equivalente ao que o cliente gastou para comprar o sistema de geração de energia solar fotovoltaica.

Outro detalhe importante, a energia solar fotovoltaica é abundante no Brasil, pois a maior parte do país está localizada entre a Linha do Equador e o Trópico de Capricórnio, onde na maior parte do ano há forte incidência de raios solares, com grande potencial de geração de energia fotovoltaica.

Em número aproximados e apenas em caráter informativo, o custo de aquisição e instalação de um sistema de energia solar fotovoltaica On-Grid para uma residência de família de classe média, dimensionado para consumo diário de cinco pessoas, utilizando materiais de primeira linha e pessoal qualificado para uma instalação bem feita, pode variar entre R$ 25.000 e R$ 35.000, com retorno em cerca de 8 anos, considerando o custo atual de energia convencional das concessionárias.

MERCADO

Hoje em dia a energia elétrica é uma das principais fontes de energia do mundo. De modo geral, dos pontos de vista econômico, político, empresarial, social e da administração pública melhorar e ampliar sistemas de infraestrutura de transporte e telecomunicações, melhorar a oferta das diversas formas de energia e universalizar o saneamento básico, a educação e a saúde são condições fundamentais para que qualquer país no mundo de desenvolva adequadamente.

Segundo economistas, acadêmicos, jornalistas e empresários o Brasil precisa investir maciçamente, pelos próximos 10 anos, pelo menos 5% do seu PIB – Produto Interno Bruto em infraestrutura em geral para alcançar um grau de desenvolvimento econômico e social pelo menos razoável.

O termo matriz energética é usado para definir a proporção das fontes de energia consumidas pela população de um país. O petróleo, o gás natural e a eletricidade são as formas de energia mais consumidas no mundo. A energia elétrica, por exemplo, é um tipo de energia consumida em larga escala em qualquer país do mundo. A matriz de energia elétrica do Brasil é composta basicamente por cerca de 80% de fontes chamadas renováveis, ou seja, aquelas fontes que causam relativamente pouco ou praticamente nenhum impacto negativo ao meio ambiente, incluindo usinas hidrelétricas, usinas eólicas e sistemas de geração de energia solar.

A tendência tecnológica e de mercado para o futuro da geração, da transmissão e da distribuição de energia elétrica no Brasil é o aumento da participação das chamadas fontes renováveis de energia elétrica, incluindo as pequenas centrais hidrelétricas, as usinas eólicas e a energia solar fotovoltaica. Já a energia gerada a partir de sistemas que usam a biomassa como fonte, incluindo o bagaço de cana de açúcar das muitas usinas de álcool brasileiras, também pode ser uma fonte razoável de geração de energia, mas para o seu pleno desenvolvimento e viabilidade econômica é necessária a redução da carga tributária sobre a cadeia produtiva dessa fonte de energia.

Ao que parece, já que não é possível prever com certeza como pensará os próximos governos federais, estaduais e municipais brasileiros nos próximos 10 anos, o Brasil dará prioridade às fontes estáveis e ambientalmente seguras de geração de energia elétrica, incluindo a energia hidrelétrica, a energia eólica e a energia solar fotovoltaica, esta gerada também em residências e seu excedente introduzido no sistema de distribuição de energia elétrica em larga escala, por meio de dispositivos eletrônicos.

MATRIZ ELÉTRICA BRASILEIRA (ANO 2019)
UNIDADES	ORIGEM, TIPO OU SETOR	CAPACIDADE
1.342	Hidrelétricas (grandes, médias e pequenas)	104 gigawatts (64%)
2.611	Usinas térmicas (gás, diesel e madeira)	23 gigawatts (14%)
606	Energia eólica (ventos)	15 gigawatts (9%)
2	Energia nuclear	2 gigawatts (1,5%)
2.469	Energia solar	4 gigawatts (2%)
399	Biomassa (sucroenergético)	11 gigawatts (7%)
	Outras fontes
Total: 7.429 unidades de geração, com 163 gigawatts de potência instalada

Fonte: Várias (números aproximados)

Acredita-se que nos próximos 30 anos, a energia solar fotovoltaica alcançará uma das primeiras posições entre as mais geradoras de energia elétrica em todo mundo. O mais provável é que ela alcance uma das três maiores posições na geração de energia elétrica no Brasil, ao lado da energia hidrelétrica e da energia eólica. Segundo o Ministério de Minas e Energia, atualmente o Brasil está entre os 20 maiores geradores e consumidores de energia solar fotovoltaica, com a tendência de subir para o grupo dos 10 maiores geradores e consumidores nos próximos 10 anos, desde que, é claro, haja interesse dos próximos governos de priorizar as gerações limpas de energia elétrica.

Atualmente, entre os maiores parques de energia solar fotovoltaica instalados no Brasil estão o Parque Solar Lapa, instalado no município baiano de Bom Jesus da Lapa, com mais de 330.000 painéis fotovoltaicos, com capacidade de 158 megawatts; o Parque Solar Horizonte, em Tabocas do Brejo Velho, na Bahia, com 103 megawatts; o Parque Solar Nova Olinda, com mais de 930.000 painéis, ocupando mais de 600 hectares, no município de Ribeira do Piauí, no Estado do Piauí, com 292 megawatts; e o Parque Solar Ituverava, com 254 megawatts, também na Bahia; essas quatro usinas controlada pela empresa Enel Green Power, subsidiária do grupo italiano Enel S.p.A..

Segundo a ABSOLAR - Associação Brasileira de Energia Solar, o setor emprega atualmente mais de 250.000 pessoas no Brasil, incluindo os números de toda a cadeia produtiva do setor, com mais de 14.000 pequenas, médias e grandes empresas, .

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