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19.3: Energia solar

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    A energia solar se refere ao calor ou energia luminosa do sol. A energia solar é, de longe, o tipo mais abundante de energia renovável, entregue à superfície da Terra a uma taxa de 120.000 Terawatts (TW) por hora, em comparação com o uso humano global de 19,8 TW em todo o ano de 2019. Para colocar isso em perspectiva, cobrir 1,2% do deserto do Saara com painéis solares poderia atender às necessidades de energia da Terra. Obviamente, isso não considera limitações na capacidade de armazenamento e na capacidade de distribuir essa energia.

    As tecnologias para aproveitar a energia solar podem ser passivas ou ativas. As tecnologias solares passivas não requerem equipamentos complexos e podem ser tão simples quanto usar a luz natural de uma janela ou clarabóia para iluminar uma sala (figura\(\PageIndex{a}\)). Da mesma forma, os tubos solares são revestidos com material refletivo e podem concentrar a energia da luz para iluminar melhor uma sala (figura\(\PageIndex{a}\)). Eles estão embutidos no teto, como seriam as luminárias normais.

    Uma clarabóia aparece como uma janela ligeiramente aberta no tetoEfficiencySkylights1200.jpg
    Figura\(\PageIndex{a}\): Clarabóias e tubos solares (dispositivos tubulares de iluminação natural, TDD). Enquanto as clarabóias se assemelham às janelas instaladas no teto, os tubos solares usam lentes e um revestimento refletivo para concentrar a luz do sol, fornecendo iluminação brilhante para partes mais escuras da casa. O que torna uma clarabóia eficiente em energia? As clarabóias tradicionais são clarabóias que usam as mesmas tecnologias das janelas, mas essas tecnologias são ainda mais valiosas para clarabóias, que recebem sol direto no verão e maiores diferenciais de temperatura externa/interna no inverno. Dispositivos tubulares de iluminação natural coletam a luz do sol no teto e a transmitem para uma lente difusa montada em uma superfície interna, geralmente um teto. A luz natural de um TDD pode iluminar armários, banheiros, corredores ou outros espaços que normalmente não teriam acesso à luz solar, diminuindo a necessidade de iluminação elétrica. Imagem à esquerda do Departamento de Energia dos EUA (domínio público) e imagem à direita da Energy Star (domínio público).

    A energia solar também pode ser usada como calor, o que pode ser maximizado por meio de uma arquitetura cuidadosa (figura\(\PageIndex{b}\)). Em primeiro lugar, o edifício requer janelas voltadas para o sul (ou portas de vidro). À medida que a luz do sol passa por essas áreas, a energia é armazenada na massa térmica do edifício. Isso se refere a materiais que retêm calor, como rocha ou ladrilhos. O edifício também foi projetado de forma que o calor seja distribuído por todo o edifício. Finalmente, os beirais do telhado ou estruturas similares impedem que a luz do sol entre na casa durante o verão.

    Seção de uma casa mostrando o sol de inverno entrando pelas janelas, bem como a absorção e distribuição.
    Figura\(\PageIndex{b}\): Este projeto de construção usa o sol para aquecimento durante o inverno e, portanto, é uma tecnologia solar passiva. A saliência do telhado serve como um controle, bloqueando o sol mais alto do verão e permitindo que a menor luz do sol do inverno passe pela janela (abertura). A energia térmica do sol é então distribuída no prédio. A massa térmica (como um piso de ladrilho ou pedra) absorve e depois libera energia térmica. Imagem do Departamento de Energia dos EUA (domínio público).

    Um simples aquecedor solar de água é uma tecnologia passiva que consiste em uma rede de tubos que são aquecidos pelo sol (figura\(\PageIndex{c}\)). A água quente é então transferida através do encanamento de uma casa. (Alguns aquecedores solares de água são mais complexos, usam bombas e, portanto, são considerados tecnologias solares ativas.)

    Um aquecedor solar de água tem um tanque cilíndrico na parte superior e fileiras de tubos na diagonal.
    Figura\(\PageIndex{c}\): Um aquecedor solar de água. Imagem de Vijayanarasimha/Pixabay (domínio público).

    As tecnologias solares ativas são mais complexas. Por exemplo, os painéis solares usam energia luminosa para gerar eletricidade (figura\(\PageIndex{d}\)). Isso ocorre nas unidades do painel solar, que são chamadas de células fotovoltaicas (células fotovoltaicas; figura\(\PageIndex{e}\)). Cada célula fotovoltaica consiste em duas camadas de semicondutores, substâncias que só conduzem eletricidade sob determinadas circunstâncias. (Em contraste, os condutores sempre conduzem eletricidade, e os isoladores não.) Um semicondutor tem elétrons extras, mas o outro tem espaços extras para elétrons. Quando a luz brilha na célula fotovoltaica, ela faz com que os elétrons se movam entre as camadas semicondutoras através do condutor que os conecta (como fios ou placas de metal). Esse movimento resulta em uma corrente elétrica.

    As instalações solares no telhado são telas planas escuras com células menores dentro delas. A paisagem urbana é visível ao fundo.
    Figura\(\PageIndex{d}\): A instalação solar no telhado em Douglas Hall, na Universidade de Illinois, em Chicago, não afeta os recursos terrestres, ao mesmo tempo que produz eletricidade com zero emissões. Fonte: Escritório de Sustentabilidade, UIC
    A célula fotovoltaica mostra vidro, duas camadas semicondutoras e o movimento dos elétrons.
    Figura\(\PageIndex{e}\): Diagrama de uma célula fotovoltaica composta por duas camadas de semicondutores. O semicondutor superior (tipo n) tem elétrons extras e o semicondutor inferior (tipo p) tem pontos extras (orifícios) para elétrons. Uma junção divide essas duas camadas. A luz libera os elétrons e permite que eles se movam através de um fio do tipo n para preencher “buracos de elétrons” no semicondutor do tipo p. O movimento dos elétrons através do fio resulta em uma corrente elétrica. Imagem da Administração de Informações Energéticas dos EUA (domínio público).

    Este vídeo explica como as células fotovoltaicas dentro dos painéis solares geram eletricidade.

    Outro exemplo de tecnologia solar ativa é a tecnologia solar térmica. Isso envolve o uso de uma série de espelhos para concentrar a energia solar, gerando vapor. A partir daí, o vapor gira uma turbina e alimenta um gerador (figura\(\PageIndex{f}\)).

    Os espelhos refletem a luz solar em tubos de líquido. Isso aquece um circuito de água que gera vapor, alimentando um gerador.
    Figura\(\PageIndex{f}\): Na tecnologia solar térmica, (1) espelhos ou refletores concentram os raios solares para aquecer um tipo especial de líquido, que absorve calor. (2) O calor desse líquido ferve a água para criar vapor, facilitado pelo trocador de calor. (3) O vapor gira uma turbina conectada a um gerador, o que gera eletricidade. (4) O vapor esfria e se condensa novamente na água, que é reciclada, reaquecida e convertida em vapor novamente. Imagem e legenda (modificadas) da EPA (domínio público).

    A energia solar não é apenas abundante, mas o uso de painéis solares para eletricidade não gera poluição do ar nem contribui para a mudança climática. (A fabricação de painéis solares pode gerar alguma poluição, incluindo emissões de gases de efeito estufa, mas isso é mínimo em comparação com os combustíveis fósseis.) Assim como a energia eólica, as expansões da energia solar podem criar empregos e impulsionar as economias. Assim como o vento, a luz solar é intermitente e o armazenamento de energia solar é limitado pela capacidade da bateria. Alguns locais não recebem luz solar direta de forma consistente e não são adequados para painéis solares. Embora a energia solar tenha sido historicamente a forma mais cara de energia renovável, novas tecnologias reduziram seu custo.

    A colocação dos painéis solares determina como seu impacto ambiental. Os painéis solares geralmente são colocados em telhados de edifícios ou sobre estacionamentos ou integrados à construção de outras maneiras. No entanto, grandes sistemas podem ser colocados em terra e particularmente em desertos, onde esses ecossistemas frágeis podem ser danificados se não houver cuidado. Além disso, os parques solares podem competir por espaço agrícola.

    Outras desvantagens da energia solar são o consumo de água (para alguns usos) e a geração de resíduos perigosos. Grandes redes de espelhos e lentes que concentram energia solar para geração de eletricidade em sistemas solares térmicos ou para aquecimento podem precisar ser limpas regularmente com água. A água também é necessária para resfriar o gerador da turbina. O uso da água de poços subterrâneos pode afetar o ecossistema em alguns locais áridos. A fabricação de células fotovoltaicas gera alguns resíduos perigosos dos produtos químicos e solventes usados no processamento. Alguns sistemas solares térmicos usam fluidos potencialmente perigosos (para transferir calor) que exigem manuseio e descarte adequados. No entanto, a energia nuclear excede a energia solar no consumo de água e na geração de resíduos perigosos.

    Atribuição

    Modificado por Melissa Ha a partir das seguintes fontes: