A energia solar refere-se à energia radiante derivada da luz e do calor do Sol, que pode ser capturada através de várias tecnologias, incluindo geração de eletricidade solar, sistemas solares térmicos (como aquecimento solar de água) e projeto arquitetônico solar. Sendo uma fonte de energia renovável vital, as tecnologias solares são geralmente classificadas em categorias passivas ou ativas, com base nos seus métodos de captura, distribuição ou conversão de energia solar em energia utilizável. As abordagens solares ativas abrangem a utilização de sistemas fotovoltaicos (PV), energia solar concentrada (CSP) e aquecimento solar de água para aproveitar eficazmente esta energia. Por outro lado, as estratégias solares passivas envolvem elementos de projeto arquitetônico, como a otimização de edifícios para melhor iluminação natural, o emprego de materiais com massa térmica vantajosa ou características de dispersão de luz e a configuração de espaços para facilitar a circulação natural do ar.
Energia solar é a energia radiante da luz e do calor do Sol, que pode ser aproveitada através de uma série de tecnologias, como eletricidade solar, energia solar térmica (incluindo aquecimento solar de água) e arquitetura solar. É uma fonte essencial de energia renovável e as suas tecnologias são amplamente caracterizadas como solares passivas ou solares ativas, dependendo de como captam e distribuem a energia solar ou a convertem em energia solar. As técnicas solares ativas incluem o uso de sistemas fotovoltaicos, energia solar concentrada e aquecimento solar de água para aproveitar a energia. As técnicas solares passivas incluem projetar um edifício para melhor iluminação natural, selecionar materiais com massa térmica favorável ou propriedades de dispersão de luz e organizar espaços que circulem naturalmente o ar.
Em 2011, a Agência Internacional de Energia (AIE) destacou as vantagens significativas a longo prazo do desenvolvimento de tecnologias de energia solar acessíveis, inesgotáveis e limpas. A agência afirmou que tais avanços "aumentariam a segurança energética dos países através da dependência de um recurso indígena, inesgotável e, principalmente, independente de importação, aumentariam a sustentabilidade, reduziriam a poluição, reduziriam os custos de mitigação do aquecimento global... essas vantagens são globais".
Potencial
A atmosfera superior da Terra intercepta aproximadamente 174 petawatts (PW) de radiação solar incidente, comumente chamada de insolação. Desse total, cerca de 30% são refletidos de volta ao espaço, com os 122 PW restantes sendo absorvidos pelas nuvens atmosféricas, oceanos e massas terrestres terrestres. O espectro da luz solar que atinge a superfície da Terra abrange predominantemente as regiões do visível e do infravermelho próximo, com um componente menor no ultravioleta próximo. Uma parcela significativa da população global reside em regiões com níveis de insolação que variam de 150 a 300 watts/m2, equivalente a 3,5 a 7,0 kWh/m2 diariamente.
A radiação solar é absorvida pela superfície terrestre da Terra, seus oceanos - que abrangem aproximadamente 71% do globo - e sua atmosfera. Essa absorção impulsiona a evaporação da água dos oceanos, levando à subida de ar quente e úmido, que inicia a circulação atmosférica e a convecção. Ao atingir altitudes mais elevadas, onde as temperaturas são mais baixas, esse vapor d'água se condensa formando nuvens, precipitando-se posteriormente como chuva na superfície terrestre, completando assim o ciclo hidrológico. O calor latente liberado durante a condensação da água intensifica ainda mais a convecção, contribuindo para a formação de diversos fenômenos atmosféricos, incluindo vento, ciclones e anticiclones. A absorção da luz solar pelos oceanos e massas terrestres mantém a superfície da Terra a uma temperatura média de 14 °C. Através da fotossíntese, as plantas verdes convertem a energia solar em energia armazenada quimicamente, formando a base para os alimentos, a madeira e a biomassa da qual se originam os combustíveis fósseis.
A atmosfera, os oceanos e as massas terrestres da Terra absorvem coletivamente cerca de 122 PW·ano, equivalente a 3.850.000 exajoules (EJ), anualmente. Comparativamente, em 2002, a energia absorvida numa hora ultrapassou o consumo total anual de energia mundial; em 2019, esta duração aumentou para uma hora e 25 minutos para corresponder ao uso global anual. A fotossíntese, por sua vez, captura aproximadamente 3.000 EJ por ano, convertendo-os em biomassa.
O potencial prático para a utilização humana da energia solar diverge da energia solar total disponível na superfície da Terra, principalmente devido a factores limitantes como restrições geográficas, variações temporais, cobertura de nuvens e disponibilidade de terrenos adequados. Em 2021, a Carbon Tracker Initiative projetou que a geração de toda a energia global exclusivamente a partir de fontes solares exigiria uma área terrestre de 450.000 km2, que é comparável à área terrestre da Suécia, Marrocos ou Califórnia, representando aproximadamente 0,3% da área terrestre total da Terra.
As tecnologias solares são classificadas como passivas ou ativas com base em seus métodos de captura, conversão e distribuição da luz solar, permitindo que a energia solar seja aproveitados com eficiências variadas em todo o mundo, em grande parte influenciados pela proximidade do Equador. Embora o termo "energia solar" denote predominantemente a aplicação prática da radiação solar, é digno de nota que todas as formas de energia renovável, com exceção da energia geotérmica e das marés, originam-se direta ou indiretamente do Sol.
As técnicas solares ativas aproveitam a luz solar por meio de energia fotovoltaica, energia solar concentrada, coletores solares térmicos, bombas e ventiladores para gerar energia utilizável. Em contraste, as técnicas solares passivas envolvem a seleção de materiais com características térmicas vantajosas, a engenharia de espaços para a circulação natural do ar e a orientação ideal dos edifícios em relação ao Sol. As tecnologias solares activas aumentam o fornecimento de energia e são, portanto, categorizadas como soluções do lado da oferta, enquanto as tecnologias solares passivas diminuem a dependência de fontes de energia alternativas, classificando-as como soluções do lado da procura.
Em 2000, o Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento, o Departamento de Assuntos Económicos e Sociais da ONU e o Conselho Mundial de Energia estimaram conjuntamente o potencial global anual da energia solar disponível para utilização humana. Esta avaliação considerou variáveis como insolação, nebulosidade e área de terreno acessível. As descobertas indicaram um potencial global de energia solar que varia de 1.600 a 49.800 exajoules (4,4×1014 a 1,4×1016 kWh) anualmente.
Energia Térmica
As tecnologias solares térmicas encontram aplicação em aquecimento de água, aquecimento de ambientes, resfriamento de ambientes e geração de calor em processos industriais.
Adoção comercial antecipada
Durante a Exposição Universal de 1878 em Paris, Augustin Mouchot apresentou com sucesso uma máquina a vapor solar; no entanto, o seu desenvolvimento foi dificultado pela disponibilidade de carvão barato e outros fatores contribuintes.
Em 1897, o inventor, engenheiro e pioneiro da energia solar americano Frank Shuman construiu um motor solar de demonstração em pequena escala. Esse dispositivo funcionava concentrando a energia solar em caixas quadradas contendo éter, substância com ponto de ebulição inferior ao da água, que eram equipadas internamente com tubos pretos que posteriormente acionavam uma máquina a vapor. Em 1908, Shuman fundou a Sun Power Company, com o objetivo de desenvolver instalações maiores de energia solar. Colaborando com seu consultor técnico A.S.E. Ackermann e o físico britânico Sir Charles Vernon Boys, ele desenvolveu um sistema aprimorado utilizando espelhos para refletir a energia solar em caixas coletoras. Esta inovação aumentou significativamente a capacidade de aquecimento, permitindo a utilização de água em vez de éter. Posteriormente, Shuman construiu uma máquina a vapor em grande escala alimentada por água de baixa pressão, garantindo uma patente para o sistema completo de motor solar em 1912. Entre 1912 e 1913, Shuman estabeleceu a primeira estação de energia térmica solar do mundo em Maadi, no Egito. Essa instalação empregava calhas parabólicas para energizar um motor de 45 a 52 quilowatts (60 a 70 HP), que extraía mais de 22.000 litros (4.800 imp gal; 5.800 US gal) de água por minuto do rio Nilo para irrigação de campos de algodão próximos. Apesar dos impedimentos colocados pela Primeira Guerra Mundial e pela subsequente descoberta de petróleo barato na década de 1930, que restringiu o desenvolvimento da energia solar, o design e a previsão fundamentais de Shuman ressurgiram na década de 1970, em meio a um interesse renovado na tecnologia solar térmica. Em 1916, Shuman foi citado na mídia promovendo o uso da energia solar, afirmando:
Provamos o lucro comercial da energia solar nos trópicos e provamos, mais particularmente, que depois que nossas reservas de petróleo e carvão se esgotarem, a raça humana pode receber energia ilimitada dos raios do Sol.
Aquecimento de água
Os sistemas solares de água quente utilizam a radiação solar para aquecer água. Em regiões de latitudes médias (entre 40° Norte e 40° Sul), os sistemas de aquecimento solar podem fornecer 60% a 70% das necessidades de água quente doméstica, atingindo temperaturas da água de até 60 °C (140 °F). Os tipos predominantes de aquecedores solares de água incluem coletores de tubos evacuados (44%) e coletores de placas planas envidraçadas (34%), empregados principalmente para água quente sanitária, juntamente com coletores de plástico não vidrados (21%), predominantemente usados para aquecimento de piscinas.
Em 2015, a capacidade global instalada de sistemas solares de água quente atingiu aproximadamente 436 gigawatts térmicos (GWth). A China lidera mundialmente nesta implantação, respondendo por 309 GWth instalados, representando 71% da participação de mercado. Numa base per capita, Israel e Chipre são adotantes proeminentes, com mais de 90% das casas utilizando sistemas solares de água quente. Nos Estados Unidos, Canadá e Austrália, a principal aplicação da tecnologia solar de água quente é para aquecimento de piscinas, com uma capacidade instalada de 18 GWth relatada em 2005.
Aquecimento, resfriamento e ventilação
Nos Estados Unidos, os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) representam 30% (4,65 EJ/ano) da energia consumida em edifícios comerciais e quase 50% (10,1 EJ/ano) da energia utilizada em estruturas residenciais. As tecnologias de aquecimento, refrigeração e ventilação solares oferecem um meio de mitigar uma parte desta procura de energia. As aplicações de aquecimento solar são amplamente categorizadas como conceitos solares passivos e conceitos solares ativos, distinguidos pela incorporação de elementos ativos, como rastreamento solar e óptica de concentrador solar.
Massa térmica refere-se a qualquer material capaz de armazenar energia térmica, especificamente calor solar no contexto de aplicações solares. Os materiais de massa térmica comuns incluem pedra, cimento e água. Historicamente, esses materiais foram empregados em regiões áridas ou temperadas quentes para manter os interiores dos edifícios frescos, absorvendo a energia solar durante o dia e irradiando o calor armazenado para a atmosfera mais fria à noite. No entanto, eles também são eficazes em zonas temperadas frias para reter o calor. O tamanho e posicionamento ideais da massa térmica dependem de vários fatores, incluindo clima, condições de iluminação natural e sombreamento. Quando estrategicamente integrada, a massa térmica ajuda a manter temperaturas interiores confortáveis e diminui a dependência de equipamentos auxiliares de aquecimento e refrigeração.
Uma chaminé solar, também conhecida como chaminé térmica neste contexto, constitui um sistema de ventilação solar passivo caracterizado por um poço vertical que liga o interior e o exterior de um edifício. À medida que a chaminé aquece, o ar no seu interior aquece, gerando uma corrente ascendente que facilita a circulação do ar por todo o edifício. O desempenho pode ser melhorado através da incorporação de vidros e materiais de massa térmica, emulando os princípios do efeito estufa.
Árvores e plantas decíduas são reconhecidas por sua utilidade na regulação do aquecimento e resfriamento solar. Quando posicionadas no lado sul de um edifício no Hemisfério Norte ou no lado norte no Hemisfério Sul, sua folhagem proporciona sombra durante o verão, enquanto seus galhos nus permitem a penetração solar no inverno. Dado que as árvores nuas e sem folhas sombreiam entre 1/3 e 1/2 da radiação solar incidente, existe um equilíbrio entre as vantagens do sombreamento no verão e a correspondente redução no aquecimento no inverno. Em climas que sofrem cargas de aquecimento substanciais, as árvores de folha caduca não devem ser plantadas no lado do edifício voltado para o Equador, pois impedirão a disponibilidade solar no inverno. No entanto, eles podem ser utilizados de forma eficaz nos lados leste e oeste para oferecer um certo grau de sombreamento no verão sem afetar significativamente o ganho solar no inverno.
Aplicações culinárias
Os fogões solares aproveitam a radiação solar para cozinhar, secar e pasteurizar. Eles são amplamente classificados em três categorias principais: fogões de caixa, fogões de painel e fogões refletores. O fogão solar mais simples é o fogão de caixa, inicialmente construído por Horace de Saussure em 1767. Um fogão de caixa fundamental compreende um recipiente isolado com tampa transparente. Ele opera de forma eficaz sob céu parcialmente nublado e normalmente atinge temperaturas que variam de 90–150 °C (194–302 °F). Os fogões de painel empregam um painel reflexivo para direcionar a luz solar para um recipiente isolado, atingindo temperaturas comparáveis às dos fogões de caixa. Os fogões refletores utilizam várias geometrias de concentração, como pratos, cochos ou espelhos de Fresnel, para focar a luz em um recipiente de cozimento. Esses fogões podem atingir temperaturas de 315 °C (599 °F) e superiores, mas precisam de luz solar direta para funcionar corretamente e requerem reposicionamento para rastrear o sol.
Aquecimento de processos industriais
As tecnologias de concentração solar, incluindo prato parabólico, calha e refletores Scheffler, são capazes de fornecer calor de processo para aplicações comerciais e industriais. O sistema comercial inaugural foi o Solar Total Energy Project (STEP) em Shenandoah, Geórgia, EUA, onde um campo de 114 antenas parabólicas atendeu a 50% dos requisitos de aquecimento, ar condicionado e eletricidade do processo para uma fábrica de roupas. Este sistema de cogeração conectado à rede gerou 400 kW de eletricidade, juntamente com energia térmica na forma de 401 kW de vapor e 468 kW de água gelada, e incorporou uma capacidade de armazenamento térmico de carga máxima de uma hora. As lagoas de evaporação são bacias rasas projetadas para concentrar sólidos dissolvidos por meio da evaporação. A utilização de lagoas de evaporação para extrair sal da água do mar representa uma das primeiras aplicações da energia solar. Os usos contemporâneos incluem a concentração de soluções de salmoura empregadas na mineração de lixiviação e na remoção de sólidos dissolvidos de fluxos de resíduos.
Varais, cabides e cabideiros facilitam a secagem das roupas por evaporação, utilizando o vento e a luz solar sem a necessidade de eletricidade ou gás. A legislação em alguns estados dos EUA salvaguarda o “direito de secar” as roupas. Os coletores transpirados não vitrificados (UTCs) são paredes perfuradas e expostas ao sol, projetadas para pré-aquecer o ar de ventilação. Esses UTCs podem elevar a temperatura do ar que entra em até 22 °C (40 °F), atingindo temperaturas de saída que variam de 45–60 °C (113–140 °F). Com um rápido período de retorno de 3 a 12 anos, os coletores transpirados apresentam uma opção economicamente mais viável em comparação aos sistemas de coleta envidraçados. Em 2003, mais de 80 desses sistemas, abrangendo uma área total de coletores de 35.000 metros quadrados (380.000 pés quadrados), foram implantados globalmente. Instalações notáveis incluem um coletor de 860 m2 (9.300 pés quadrados) na Costa Rica, utilizado para secar grãos de café, e um coletor de 1.300 m2 (14.000 pés quadrados) em Coimbatore, Índia, usado para secar malmequeres.
Tratamento de Água
A destilação solar oferece um método para tornar potável água salina ou salobra. A primeira aplicação documentada desta tecnologia remonta aos alquimistas árabes do século XVI. A instalação inaugural de destilação solar em grande escala foi estabelecida em 1872 em Las Salinas, uma cidade mineira chilena. Esta planta, com uma área de coleta solar de 4.700 m2 (51.000 pés quadrados), era capaz de produzir até 22.700 L (5.000 imp gal; 6.000 US gal) diariamente e permaneceu operacional por quatro décadas. Existem vários designs de still, incluindo configurações de inclinação única, inclinação dupla (ou tipo estufa), vertical, cônica, absorvedor invertido, multipavio e efeitos múltiplos. Essas unidades de destilação podem funcionar nos modos operacionais passivo, ativo ou híbrido. Os alambiques de inclinação dupla são geralmente mais econômicos para uso doméstico descentralizado, enquanto as unidades ativas de múltiplos efeitos são mais adequadas para aplicações industriais extensas.
A desinfecção solar da água (SODIS) é um processo que envolve a exposição de garrafas plásticas de tereftalato de polietileno (PET) cheias de água à luz solar direta por várias horas. A duração de exposição necessária depende das condições meteorológicas e climáticas, variando de um mínimo de seis horas a dois dias sob céu completamente nublado. A Organização Mundial da Saúde endossa o SODIS como uma estratégia eficaz para o tratamento doméstico de água e armazenamento seguro. Atualmente, mais de dois milhões de pessoas nos países em desenvolvimento dependem desta técnica para o seu abastecimento diário de água potável.
A energia solar pode ser aproveitada em lagoas de estabilização de água para o tratamento de águas residuais sem produtos químicos e independente de eletricidade. Um benefício ecológico adicional é a proliferação de algas nestas lagoas, que assimilam o dióxido de carbono através da fotossíntese. No entanto, uma desvantagem potencial é que certas espécies de algas podem gerar compostos tóxicos, tornando a água tratada imprópria para consumo.
Tecnologia de sal fundido
O sal fundido serve como um meio eficaz de armazenamento de energia térmica, permitindo a retenção do calor coletado por torres solares ou calhas solares em usinas de energia solar concentrada (CSP). Esta energia armazenada pode posteriormente ser utilizada para geração de eletricidade durante períodos de mau tempo ou durante a noite. A eficácia desta tecnologia foi validada empiricamente durante o projecto Solar Two, conduzido de 1995 a 1999. O sistema está projectado para atingir uma eficiência anual de 99%, reflectindo a elevada proporção de energia retida através do armazenamento de calor antes da conversão de electricidade, em oposição à conversão directa de calor em electricidade. As composições do sal fundido variam, com uma mistura predominante compreendendo nitrato de sódio, nitrato de potássio e nitrato de cálcio. Esta mistura é caracterizada por suas propriedades não inflamáveis e não tóxicas e tem um histórico de aplicação como fluido de transporte de calor nas indústrias química e metalúrgica. Consequentemente, a experiência operacional substancial com tais sistemas é anterior à sua adoção em aplicações de energia solar.
O sal apresenta um ponto de fusão de 131 °C (268 °F). É mantido em estado líquido a 288 °C (550 °F) dentro de um tanque de armazenamento "frio" isolado. Posteriormente, o sal líquido circula através de painéis dentro de um coletor solar, onde a irradiância concentrada eleva sua temperatura para 566 °C (1.051 °F). O sal superaquecido é então transferido para um tanque de armazenamento quente, que é projetado com isolamento suficiente para preservar a energia térmica de forma eficaz por até uma semana.
Quando há demanda por eletricidade, o sal fundido quente é direcionado para um gerador de vapor convencional, onde produz vapor superaquecido para alimentar uma turbina/gerador, espelhando o processo empregado em instalações tradicionais de carvão, petróleo ou energia nuclear. Por exemplo, uma turbina de 100 megawatts operando por quatro horas exigiria um tanque de armazenamento de aproximadamente 9,1 metros (30 pés) de altura e 24 metros (79 pés) de diâmetro, de acordo com este projeto.
Várias usinas de energia parabólica na Espanha e o desenvolvedor de torres de energia solar SolarReserve utilizam esse conceito de armazenamento de energia térmica. A Estação Geradora Solana nos EUA incorpora uma capacidade de armazenamento de sal fundido de seis horas. No Chile, a usina Cerro Dominador possui uma torre solar-térmica de 110 MW onde o calor é transferido para sais fundidos. Posteriormente, estes sais fundidos transmitem a sua energia térmica para a água através de um permutador de calor, produzindo vapor sobreaquecido, que aciona uma turbina para converter a sua energia cinética em energia elétrica através do ciclo Rankine. Consequentemente, a usina Cerro Dominador é capaz de gerar aproximadamente 110 MW de energia elétrica. Seu avançado sistema de armazenamento facilita a produção de eletricidade por até 17,5 horas sem radiação solar direta, garantindo um fornecimento de energia estável e ininterrupto quando necessário. O projecto garantiu com sucesso vendas anuais de electricidade de até 950 GW·h. Outra iniciativa significativa é a usina María Elena, um complexo termosolar de 400 MW situado na região de Antofagasta, norte do Chile, que também emprega tecnologia de sal fundido.
Geração de eletricidade
Energia Solar Concentrada
Os sistemas de concentração de energia solar (CSP) empregam lentes ou espelhos juntamente com mecanismos de rastreamento para convergir uma área substancial de luz solar em um feixe focalizado. Esta energia térmica concentrada serve posteriormente como fonte de calor para instalações convencionais de geração de energia. Uma ampla gama de tecnologias de concentração está disponível, com as mais avançadas incluindo calha parabólica, coletores de torre solar, refletor Fresnel linear de concentração e prato Stirling. Esses sistemas utilizam vários métodos de rastreamento solar e foco de luz. Dentro de todas as configurações CSP, um fluido de trabalho é aquecido pela luz solar concentrada, que é então utilizado para geração de eletricidade ou armazenamento de energia. Os projetos de sistemas devem incorporar considerações sobre possíveis danos às delicadas superfícies de vidro das usinas de energia solar devido a eventos climáticos extremos, como tempestades de poeira ou granizo. A integração de grades metálicas poderia permitir que uma alta proporção de luz solar alcançasse os espelhos e painéis solares, ao mesmo tempo que mitigava a maioria das formas de danos físicos.
Arquitetura e Planejamento Urbano
A luz solar influenciou profundamente o projeto de edifícios ao longo de toda a história da arquitetura. Metodologias sofisticadas de arquitetura solar e planejamento urbano foram inicialmente adotadas pelos gregos e chineses, que orientaram estrategicamente suas estruturas para o sul para otimizar a iluminação natural e o conforto térmico.
As principais características da arquitetura solar passiva incluem a orientação solar, uma proporção de construção compacta (caracterizada por uma baixa relação entre área de superfície e volume), elementos de sombreamento seletivos (como saliências) e a incorporação de massa térmica. Quando estes atributos são meticulosamente adaptados ao clima local específico e às condições ambientais, facilitam a criação de espaços bem iluminados que mantêm uma faixa de temperatura confortável. A Megaron House de Sócrates exemplifica uma aplicação clássica dos princípios de design solar passivo. As abordagens contemporâneas ao projeto solar frequentemente aproveitam a modelagem computacional para integrar sistemas de iluminação solar, aquecimento e ventilação em um pacote coeso de projeto solar. Além disso, equipamentos solares ativos, incluindo bombas, ventiladores e janelas comutáveis, podem aumentar as estratégias de design passivo e melhorar o desempenho geral do sistema.
As Ilhas de Calor Urbanas (UHIs) são definidas como regiões metropolitanas que apresentam temperaturas elevadas em comparação com os ambientes naturais circundantes. Este aumento das temperaturas resulta da maior absorção da energia solar pelos materiais urbanos predominantes, como o asfalto e o betão, que possuem albedos mais baixos e capacidades térmicas mais elevadas do que as superfícies naturais. Uma estratégia directa para mitigar o efeito UHI envolve pintar edifícios e estradas de branco e implementar extensa plantação de árvores em áreas urbanas. Empregando estas técnicas, uma iniciativa hipotética de “comunidades frias” em Los Angeles estimou uma redução potencial nas temperaturas urbanas de aproximadamente 3 °C, a um custo projectado de mil milhões de dólares. Prevê-se que esta iniciativa produza benefícios anuais totais de 530 milhões de dólares, principalmente através da redução de despesas com ar condicionado e poupanças em cuidados de saúde.
Agricultura e Horticultura
A agricultura e a horticultura visam otimizar a captação de energia solar para aumentar a produtividade das plantas. Técnicas como ciclos de plantio precisos, orientação otimizada das fileiras, alturas escalonadas das fileiras e a integração de diversas variedades de plantas podem melhorar significativamente o rendimento das culturas. Embora a luz solar seja geralmente considerada um recurso abundante, casos históricos específicos sublinham a sua importância crítica para as práticas agrícolas. Durante as breves estações de cultivo da Pequena Idade do Gelo, os agricultores franceses e ingleses utilizaram paredes de frutas para maximizar a captação de energia solar. Essas estruturas funcionavam como massas térmicas, retendo o calor e acelerando assim o amadurecimento das plantas. Inicialmente, as paredes frutíferas foram construídas perpendicularmente ao solo e voltadas para o sul; no entanto, com o tempo, projetos inclinados foram desenvolvidos para aproveitar a luz solar de forma mais eficaz. Em 1699, Nicolas Fatio de Duillier chegou a propor um mecanismo de rastreamento capaz de girar para seguir a trajetória do sol. Além do cultivo, as aplicações da energia solar na agricultura incluem bombeamento de água, secagem de colheitas, criação de pintinhos e dessecação de esterco de galinha. Mais recentemente, os viticultores adotaram esta tecnologia, empregando painéis solares para alimentar as prensas de uva.
As estufas convertem a luz solar em calor, facilitando a produção durante todo o ano e permitindo o cultivo de culturas especiais e outras plantas não naturalmente adequadas ao clima local em ambientes fechados. As estufas primitivas foram utilizadas pela primeira vez durante a época romana para garantir um fornecimento contínuo de pepinos ao Imperador Tibério. As primeiras estufas modernas surgiram na Europa durante o século XVI, principalmente para abrigar plantas exóticas adquiridas em explorações internacionais. Hoje, as estufas continuam a ser um componente vital da horticultura. Materiais plásticos transparentes também são efetivamente empregados em politúneis e coberturas de fileiras para obter controle ambiental semelhante.
Transporte
O desenvolvimento de automóveis movidos a energia solar tem sido um objetivo significativo da engenharia desde a década de 1980. O World Solar Challenge, uma corrida bianual de carros movidos a energia solar, apresenta equipes de universidades e empresas competindo em 3.021 quilômetros (1.877 milhas) da Austrália central, de Darwin a Adelaide. Após a sua criação em 1987, o veículo vencedor atingiu uma velocidade média de 67 quilómetros por hora (42 mph); em 2007, melhorou para 90,87 quilômetros por hora (56,46 mph). O Desafio Solar Norte-Americano e o Desafio Solar Sul-Africano proposto representam competições comparáveis, refletindo um interesse global na engenharia e no avanço de veículos movidos a energia solar.
Certos veículos incorporam painéis solares para energia auxiliar, como a operação de sistemas de ar condicionado para manter um interior fresco, contribuindo assim para a redução do consumo de combustível.
Em 1975, o barco solar prático e inaugural foi construído na Inglaterra. Em 1995, embarcações de passageiros equipadas com painéis fotovoltaicos (PV) começaram a aparecer e agora são amplamente utilizadas. Kenichi Horie realizou a primeira travessia do Oceano Pacífico movida a energia solar em 1996, seguida pelo catamarã Sun21, que completou a primeira travessia do Oceano Atlântico movida a energia solar durante o inverno de 2006-2007. Planos para uma circunavegação global foram projetados para 2010.
O avião não tripulado AstroFlight Sunrise completou o primeiro voo solar em 1974. Em 29 de abril de 1979, o Solar Riser realizou o primeiro voo de uma aeronave movida a energia solar, totalmente controlada e transportada por um homem, atingindo uma altitude de 40 pés (12 m). Em 1980, o Gossamer Penguin realizou os primeiros voos pilotados movidos exclusivamente por energia fotovoltaica. Esta conquista foi rapidamente seguida pelo Solar Challenger, que atravessou com sucesso o Canal da Mancha em julho de 1981. Em 1990, Eric Scott Raymond completou um voo da Califórnia à Carolina do Norte em 21 etapas, utilizando energia solar. Os desenvolvimentos subsequentes mudaram para veículos aéreos não tripulados (UAVs), exemplificados pelo Pathfinder (1997) e seus projetos sucessores, culminando no Helios, que estabeleceu um recorde de altitude para uma aeronave sem propulsão de foguete a 29.524 metros (96.864 pés) em 2001. O Zephyr, desenvolvido pela BAE Systems, representa o mais recente de uma série de aeronaves solares recordes, alcançando um voo de 54 horas em 2007, com voos de um mês previstos para 2010. De março de 2015 a julho de 2016, o Solar Impulse, uma aeronave elétrica, circunavegou o globo com sucesso. Esta aeronave monoposto é alimentada por células solares e possui a capacidade de decolar de forma independente, e seu design permite uma operação aérea sustentada por vários dias.
Um balão solar, normalmente preto, contém ar ambiente. Quando exposto à luz solar, o ar interno aquece e se expande, gerando uma força de empuxo ascendente análoga à de um balão de ar quente aquecido convencionalmente. Embora certos balões solares possuam sustentação suficiente para o transporte humano, a sua aplicação está predominantemente confinada ao setor dos brinquedos devido à sua relação comparativamente elevada entre área de superfície e peso da carga útil.
Veículo Solar Squad
O Squad Solar é um Veículo Elétrico de Bairro (NEV) equipado com teto solar e capaz de carregar através de uma tomada elétrica padrão de 120 volts.
Produção de Combustível
Os processos químicos solares aproveitam a energia solar para facilitar as reações químicas. Estes métodos servem para mitigar a dependência de fontes de combustíveis fósseis e permitir a conversão da energia solar em combustíveis que são armazenáveis e transportáveis. As reações químicas movidas pela energia solar são amplamente categorizadas como termoquímicas ou fotoquímicas. A fotossíntese artificial oferece um caminho para a produção de diversos combustíveis. A complexa química catalítica multielétron necessária para a síntese de combustíveis à base de carbono, como o metanol, por meio da redução do dióxido de carbono apresenta desafios significativos. Uma alternativa viável envolve a geração de hidrogênio a partir de prótons, embora a utilização de água como fonte de elétrons, semelhante à fotossíntese natural, exija o domínio da oxidação multieletrônica de duas moléculas de água em oxigênio molecular. As projecções sugerem o potencial estabelecimento de centrais de combustível solar operacionais em regiões metropolitanas costeiras até 2050, onde a divisão da água do mar poderia produzir hidrogénio para centrais eléctricas de células de combustível adjacentes, com o subproduto da água pura directamente integrado nos sistemas de água municipais. Além disso, o armazenamento de energia química representa uma estratégia adicional para a gestão da energia solar.
Desde a década de 1970, as tecnologias de produção de hidrogénio têm constituído um foco proeminente na investigação química solar. Além da eletrólise alimentada por células fotovoltaicas ou fotoquímicas, vários processos termoquímicos foram investigados. Um método emprega concentradores solares para dissociar a água em oxigênio e hidrogênio em temperaturas elevadas, variando de 2.300 a 2.600 °C (4.200 a 4.700 °F). Outra estratégia utiliza o calor dos concentradores solares para facilitar a reforma a vapor do gás natural, aumentando assim o rendimento total de hidrogénio em comparação com as técnicas tradicionais de reforma. Os ciclos termoquímicos, definidos pela decomposição e subsequente regeneração de reagentes, oferecem um caminho adicional para a geração de hidrogênio. Por exemplo, o processo Solzinc, atualmente em desenvolvimento no Weizmann Institute of Science, emprega um forno solar de 1 MW para decompor o óxido de zinco (ZnO) a temperaturas superiores a 1.200 °C (2.200 °F). Essa reação primária produz zinco puro, que pode então reagir com água para produzir hidrogênio.
Métodos de armazenamento de energia
Os sistemas de massa térmica são capazes de armazenar energia solar na forma de calor em temperaturas adequadas para aplicações domésticas, abrangendo períodos diários ou intersazonais. Esses sistemas de armazenamento normalmente incorporam materiais facilmente acessíveis que possuem altas capacidades de calor específico, incluindo água, terra e pedra. Sistemas projetados de maneira ideal podem mitigar efetivamente a demanda de pico, realocar o consumo de energia para intervalos fora de pico e diminuir as cargas gerais de aquecimento e resfriamento.
Materiais de mudança de fase (PCMs), como cera de parafina e sal de Glauber, representam um meio alternativo para armazenamento de energia térmica. Esses materiais são caracterizados por seu preço acessível, ampla disponibilidade e capacidade de fornecer temperaturas adequadas para uso doméstico (aproximadamente 64 °C ou 147 °F). A "Dover House" em Dover, Massachusetts, foi pioneira na aplicação do sistema de aquecimento de sal de Glauber em 1948. Além disso, a energia solar pode ser armazenada em temperaturas elevadas através da utilização de sais fundidos. Os sais demonstram ser um meio de armazenamento eficiente devido ao seu baixo custo, alta capacidade de calor específico e capacidade de fornecer calor em temperaturas compatíveis com sistemas convencionais de geração de energia. O projeto Solar Two exemplificou essa metodologia de armazenamento de energia, armazenando com sucesso 1,44 terajoules (400.000 kWh) em seu tanque de armazenamento de 68 m3, alcançando uma eficiência de armazenamento anual aproximada de 99%.
Os sistemas fotovoltaicos (PV) autônomos têm historicamente dependido de baterias recarregáveis para armazenamento de energia excedente. Por outro lado, os sistemas ligados à rede permitem que o excedente de electricidade seja exportado para a rede de transmissão, enquanto a energia convencional da rede pode compensar os défices. Os esquemas de medição líquida fornecem às instalações residenciais créditos pela eletricidade fornecida à rede. Este processo normalmente envolve a inversão do medidor quando a geração de eletricidade de uma residência ultrapassa o seu consumo. Caso o consumo líquido de eletricidade seja negativo, a concessionária transfere o crédito de quilowatt-hora para o ciclo de faturamento subsequente. Métodos alternativos incluem o emprego de dois medidores separados para quantificar o consumo de eletricidade versus produção. No entanto, esta abordagem é menos prevalente devido às elevadas despesas de instalação associadas a um segundo medidor. A maioria dos medidores padrão contemporâneos registram com precisão o fluxo de energia bidirecional, eliminando assim a necessidade de um medidor adicional.
A hidroeletricidade com armazenamento bombeado (PSH) facilita o armazenamento de energia elevando a água de um reservatório de nível mais baixo para um de nível mais alto durante períodos de energia excedente. Essa energia armazenada é posteriormente recuperada durante o pico de demanda, liberando a água, momento em que a bomba funciona como um gerador de energia hidrelétrica.
Desenvolvimento, implantação e considerações econômicas
Após o aumento substancial na utilização do carvão durante a Revolução Industrial, o consumo global de energia passou progressivamente da madeira e da biomassa para os combustíveis fósseis. Os avanços iniciais nas tecnologias solares, começando na década de 1860, foram motivados por projeções de escassez iminente de carvão. No entanto, a proliferação de tecnologias solares passou por um período de estagnação no início do século XX, principalmente devido à crescente acessibilidade, viabilidade económica e aplicação generalizada de carvão e petróleo.
O embargo petrolífero de 1973 e a crise energética de 1979 precipitaram uma reestruturação global das políticas energéticas. Esses eventos revitalizaram o interesse no avanço das tecnologias solares. As estratégias de implantação subsequentemente enfatizaram esquemas de incentivos, exemplificados pelo Programa Federal de Utilização Fotovoltaica nos Estados Unidos e pelo Programa Sunshine no Japão. Iniciativas adicionais envolveram o estabelecimento de instituições de pesquisa dedicadas, incluindo SERI (agora NREL) nos EUA, NEDO no Japão e o Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar ISE na Alemanha.
Os sistemas comerciais de aquecimento solar de água surgiram pela primeira vez nos Estados Unidos durante a década de 1890. A sua adopção expandiu-se até à década de 1920, após a qual foram progressivamente suplantados por combustíveis de aquecimento mais económicos e fiáveis. Semelhante à energia fotovoltaica, o aquecimento solar de água despertou um interesse renovado após as crises do petróleo da década de 1970; no entanto, este entusiasmo diminuiu na década de 1980, em meio à queda dos custos do petróleo. No entanto, o setor de aquecimento solar de água experimentou um desenvolvimento consistente ao longo da década de 1990, alcançando taxas médias de crescimento anual de 20% desde 1999. Apesar de ser frequentemente subestimado, o aquecimento e resfriamento solar de água representa a tecnologia solar mais amplamente implantada, com uma capacidade estimada de 154 GW em 2007. desafios:
O desenvolvimento de tecnologias de energia solar acessíveis, inesgotáveis e limpas trará enormes benefícios a longo prazo. Aumentará a segurança energética dos países através da dependência de um recurso interno, inesgotável e, principalmente, independente de importações, aumentará a sustentabilidade, reduzirá a poluição, diminuirá os custos de mitigação das alterações climáticas e manterá os preços dos combustíveis fósseis mais baixos do que de outra forma. Essas vantagens são globais. Assim, os custos adicionais dos incentivos à implantação precoce devem ser considerados investimentos em aprendizagem; eles devem ser gastos com sabedoria e precisam ser amplamente compartilhados.
Um relatório de 2011 da Agência Internacional de Energia projectou que as tecnologias de energia solar, incluindo a energia fotovoltaica, a água quente solar e a energia solar concentrada, poderiam suprir um terço da procura global de energia até 2060, desde que os decisores políticos se comprometam com a mitigação das alterações climáticas e com a transição para fontes de energia renováveis. A energia solar está preparada para desempenhar um papel fundamental na descarbonização da economia global, complementada por avanços na eficiência energética e pela implementação de mecanismos de precificação do carbono para os emissores de gases com efeito de estufa. O relatório destacou que “A força da energia solar é a incrível variedade e flexibilidade de aplicações, desde pequena até grande escala”.
Provamos... que depois que nossos estoques de petróleo e carvão se esgotarem, a raça humana pode receber energia ilimitada dos raios do Sol.
Em 2021, Lazard estimou que o custo nivelado da eletricidade solar em escala de serviço público recém-construída e não subsidiada era inferior a 37 dólares por MWh, enquanto a energia a carvão existente excedia este valor. O relatório de 2021 indicou ainda que as novas instalações solares também eram mais económicas do que a nova energia alimentada a gás, embora geralmente não fossem mais baratas do que a energia a gás existente.
Tecnologias Emergentes
Sistemas Experimentais de Energia Solar
Os sistemas fotovoltaicos concentrados (CPV) utilizam luz solar concentrada direcionada sobre superfícies fotovoltaicas para gerar eletricidade. Dispositivos termoelétricos, ou "termovoltaicos", convertem diferenciais de temperatura entre materiais díspares em corrente elétrica.
Matrizes solares flutuantes
Bombas de calor assistidas por energia solar
Uma bomba de calor funciona como um dispositivo que transfere energia térmica de uma fonte de calor para um dissipador de calor designado. Esses sistemas são projetados para movimentar a energia térmica contra a direção natural do fluxo espontâneo de calor, absorvendo calor de um ambiente mais frio e liberando-o para um ambiente mais quente. Uma bomba de calor assistida por energia solar integra uma bomba de calor com painéis solares térmicos num sistema único e coeso. Tradicionalmente, estas duas tecnologias são utilizadas de forma independente ou meramente em paralelo para a produção de água quente. Nesta configuração integrada, o painel solar térmico funciona como fonte de calor de baixa temperatura, com o calor gerado alimentando o evaporador da bomba de calor. O objetivo principal de tal sistema é alcançar um alto Coeficiente de Desempenho (COP), permitindo assim uma produção de energia mais eficiente e econômica.
Qualquer tipo de painel solar térmico, incluindo designs de chapa e tubo, roll-bond, heat pipe ou placa térmica, ou painéis híbridos (mono/policristalinos, filme fino), podem ser combinados com uma bomba de calor. A utilização de um painel híbrido é muitas vezes preferida, pois pode satisfazer parcialmente a necessidade de eletricidade da bomba de calor, reduzindo consequentemente o consumo de energia e os custos variáveis de funcionamento do sistema.
Aeronave Solar
Uma aeronave elétrica opera com motores elétricos em vez de motores de combustão interna, extraindo eletricidade de diversas fontes, como células de combustível, células solares, ultracapacitores, feixes de energia ou baterias.
Atualmente, a maioria das aeronaves elétricas tripuladas são demonstradores experimentais, embora vários pequenos veículos aéreos não tripulados operem com energia de bateria. Modelos de aeronaves movidas a eletricidade estão em voo desde a década de 1970, com um relatório inicial datando de 1957. Os primeiros voos tripulados movidos a eletricidade ocorreram em 1973. Entre 2015 e 2016, a aeronave tripulada movida a energia solar, Solar Impulse 2, completou com sucesso uma circunavegação da Terra.