Faculdade de Engenharia da Universidade Do Porto
Energia Solar e aplicações
futuras
Projeto FEUP 2016/2017 – Mestrado Integrado em Engenharia
Mecânica:
Professor supervisor: Abílio de Jesus
Monitor: Rúben da Silva Madureira
Turma: 1M06
Equipa: 4
Estudantes e Autores:
Mariana Rocha Carvalho [email protected]
João Eduardo Rebelo Lopes [email protected]
Miguel Ferreira da Cunha Barros [email protected]
Tomás da Rocha Anjo [email protected]
Domingos Tiago da Silva Pinheiro [email protected]
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Energias Solares e aplicações futuras 2
Resumo
Desde a Idade da Pedra, o Homem sempre tentou usar as fontes de energia
disponíveis para seu prazer próprio. Fontes de energia com a queima da madeira ou
combustíveis fósseis, vento, água corrente, solar, etc, sempre bastante exploradas pelo
Homem. No início do século XIX, a procura de formas de aproveitamento tornou-se mais
acentuada. O facto de em 1839 Edmond Becquerel ter descoberto o efeito fotovoltaico
(processo pelo qual a energia solar é convertida em energia elétrica) contribuiu para que a
energia solar fosse uma fonte de energia muito explorada.
Nos dias de hoje, a energia solar é convertida em energia elétrica através de
painéis solares de coletores solares. Os painéis solares produzem energia elétrica através
do efeito fotovoltaico, enquanto os coletores solares transformam a energia solar em energia
térmica, transferindo-a para um fluido. Em Portugal, devido às taxas de insolação, é de se
esperar uma alta taxa de produção de energia elétrica através da energia solar.
Apesar da energia solar ser proveniente de uma fonte de energia renovável, amiga,
prática, com elevados apoios estatais e com grandes níveis de investigação no ramo, é uma
verdade que, associado a esta, está um elevado preço, uma grande dificuldade de
armazenamento, um baixo rendimento e uma taxa de poluição elevada quando se fala dos
processos de fabrico dos equipamentos necessários na conversão.
As telhas solares, o projeto Juno, o tecido fotovoltaico e o World Solar Challenge
são aplicações futuristas para promoção da energia fotovoltaica. As telhas solares são
constituídas por quatro células fotovoltaicas e seriam uma ideia interessante para aumentar
a estética de edifícios particulares em que se pretenda a conversão de energia solar em
elétrica. O projeto Juno consistiu no lançamento de uma sonda não tripulada movida a
energia solar. Esta sonda foi a que se afastou mais do Sol, bem com a que obteve a maior
velocidade atingida. O tecido fotovoltaico consiste numa ideia inovadora que reúne a
indústria têxtil e a nanotecnologia. É uma fibra ótica constituída por silício, tendo assim a
mesma função que uma célula fotovoltaica. Apesar de ser um projeto ainda em
desenvolvimento, espera-se que se atinja os 4% de rendimento na conversão. Por fim, o
World Solar Challenge consiste numa competição de carros elétricos movidos
essencialmente a energia solar. Estes carros são equipados por uma bateria que só tem
armazenada energia para 10% dos 3000 quilómetros em solo australiano. Para o resto da
prova, utilizam os painéis fotovoltaicos que os constituem para conversão de energia.
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Energias Solares e aplicações futuras 3
Palavras-Chave
● Energia renovável
● Fontes de energia
● Efeito fotovoltaico
● Célula solar
● Rendimento
● Sustentabilidade
● Telha fotovoltaica
● Vela solar
● Sonda
● Júpiter
● Flexibilidade
● Adaptação
● Desenvolvimento
● Carro
● Aerodinâmica
● Design
● Rendimento
● Criatividade
● Desempenho
● Otimização
● Políticas de energia
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Energias Solares e aplicações futuras 4
Agradecimentos
Após a realização deste relatório, a nossa equipa acha crucial agradecer a certos
membros da comunidade educativa da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.
Primeiramente, gostaríamos de agradecer ao professor Abílio de Jesus, que na
posição de professor supervisor da unidade curricular, esteve bastante presente para nos
ajudar a clarificar as ideias, tirar eventuais dúvidas e dar a sua opinião relativamente ao
projeto.
De seguida, consideramos necessário agradecer ao nosso monitor Rúben
Madureira, que se encarregou de nos disponibilizar toda a informação necessária acerca de
datas, e de as relembrar ao longo do tempo de realização do projeto, bem como pelo facto
de despender do seu tempo para nos ajudar na realização deste projeto com bastante
empenho.
Para a professora Teresa Duarte, achamos que deve também ser feito um
agradecimento, dado que apesar de não ser a professora supervisora do projeto na turma
em que estamos inseridos, fez questão de, na unidade curricular em que é regente, se
colocar à disposição para esclarecer dúvidas a todas as equipas do projeto, bem como de ir
informando dos prazos para a entrega dos documentos.
Gostaríamos, ainda, de agradecer a todos os oradores que durante a semana da
receção aos novos estudantes (“FEUP Orienta-te!”) tiveram o objetivo de partilhar do seu
conhecimento com todos nós.
Por último, mas não menos importante, achamos relevante agradecer à FEUP pela
oportunidade que nos é dada pela unidade curricular “Projeto FEUP”, dado que esta
contribui para a integração dos estudantes, para o aumento da capacidade de trabalho em
equipa, pelas competências a nível de realização de documentos de texto e as de
realizações de apresentações orais.
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Energias Solares e aplicações futuras 5
Lista de Figuras e tabelas
Figura 1. Efeito fotovoltaico: formação das camadas n e p num semicondutor.
Figura 2. Primeira aplicação da célula solar de silício, em 1955, na Georgia.
Figura 3. Painel fotovoltaico.
Figura 4. Coletor solar.
Figura 5. Mapa com as taxas de insolação na Europa.
Figura 6. Percentagens das fontes de energia usadas para a conversão de eletricidade,
em Portugal, em 2016, no período de janeiro a setembro.
Figura 7. Central solar de Amareleja no Alentejo.
Figura 8. Aspeto de uma telha solar.
Figura 9. Imagem meramente ilustrativa da sonda Juno próxima de Júpiter.
Figura 10. Esquema onde se explica a forma como o tecido fotovoltaico é constituído.
Figura 11. Logótipo do evento World Solar Challenge.
Figura 12. “The Red Engine”, carro da equipa Solar Team Twente.
Figura 13. “eVe”, carro da equipa Sunswift.
Figura 14. Trajeto percorrido no World Solar Challenge, na Austrália.
Figura 15. Logótipo do Portugal Solar Challenge.
Tabela 1. Tabela com a percentagem do consumo de energia derivada da conversão de
energias renováveis e metas para 2020, na União Europeia.
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Energias Solares e aplicações futuras 6
Índice
1. Introdução 7
2. História das fontes de energia 8
3. Do primeiro coletor de luz solar aos paineis solares 10
4. Energia solar nos dias de hoje 13
4.1. Painéis Fotovoltaicos 13
4.1.1. Células de Silício Monocristalino 14
4.1.2. Células de Silício Policristalino 14
4.1.3. Células de Silício Amorfo 14
4.2. Coletores Solares 15
4.2.1. Coletor Plano 15
4.2.2. Coletores concentradores 16
4.2.3. Coletores concentradores parabólicos (CPC) 16
4.2.4. Coletores de tubos de vácuo 16
4.2.5. Coletores sem cobertura 16
5. Produção de energia solar em Portugal 18
6. Vantagens e Desvantagens 19
7. Projetos futurista com base na energia solar 20
7.1. Projeto Telhas Solares 20
7.1.1. Fabrico da Telha Fotovoltaica 20
7.2. Projecto Juno 21
7.2.1. Inovações de Juno 21
7.3. Tecido Fotovoltaico 22
7.4. World Solar Challenge 23
7.4.1. Challenger Class 23
7.4.2. Cruiser Class 24
7.4.3. Adventure Class 24
7.4.4. Definição da prova 24
8. Metas futuras das energias renováveis 26
9. Conclusões 29
10. Lista de referências bibliográficas 30
11. Lista de referências gráficas 31
34
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Energias Solares e aplicações futuras 7
1. Introdução
A energia é a “capacidade de produzir trabalho” [1] e pode ser dividida em dois
tipos principais: energia potencial e energia cinética. Neste contexto, energia potencial é a
energia responsável pela produção de movimento enquanto a cinética é, simplesmente, a
energia do movimento.
As fontes de energia podem ser classificadas como renováveis e não renováveis,
sendo que as fontes de energia renovável têm uma grande capacidade de renovação como,
por exemplo, a água corrente (energia hídrica), a decomposição de compostos orgânicos
(energia da biomassa), a luz solar (energia solar), o calor interno da Terra (energia
geotérmica) e o vento (energia eólica).
As fontes de energia não renovável têm reservas limitadas como é o caso dos
combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás natural) e do urânio.
Estas fontes de energia podem ser utilizadas para a produção de outros tipos de
energia, como é o exemplo de energia elétrica.
Nos dias de hoje, a conversão de energia solar em energia elétrica é feita através
de painéis fotovoltaicos ou painéis solares térmicos. As células fotovoltaicas, que constituem
os painéis fotovoltaicos, são os responsáveis pela transformação dos feixes solares em
eletricidade. Por outro lado, nos painéis solares térmicos “usam-se espelhos que
concentram a luz solar para aquecer um fluido, gerando vapor que faz rodar as pás de uma
turbina, criando um movimento de rotação do eixo do gerador que produz eletricidade” [2].
Após uma breve explicação de conceitos básicos, abordar-se-á um pouco de
história para que se entenda como foi possível chegar ao conceito de energia fotovoltaica,
como esta se torna numa fonte de produção de energia elétrica, as suas aplicações
quotidianas (equipamentos de produção de energia fotovoltaica e produção desta energia
em Portugal). Para além disso, as vantagens e desvantagens desta energia renovável não
podem ser ignoradas, muito menos os impactos que esta tem na atualidade
comparativamente com as outras formas de energia. Serão ainda explorados projetos
futuristas em que esta energia pode enveredar: projeto das telhas solares, projeto Juno,
projeto do tecido fotovoltaico e o World Solar Challenge. E, por fim, algumas metas futuras
para as energias renováveis serão explícitas.
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Energias Solares e aplicações futuras 8
2. História das fontes de energia
Nos primórdios da humanidade, o Homem descobriu o fogo como fonte de energia
para preparar a sua alimentação e aquecimento. Nesse momento, o Homem ainda não
sabia como produzi-lo e como podia domá-lo para seu próprio proveito. Deste modo, após o
primeiro fogo ter sido gerado por um raio que incendiou a vegetação, o Homem começou a
transportá-lo em troncos, para que este não se extinguisse.
Com a descoberta da forma de produção desta fonte de energia primária, tudo se
tornou mais simples. O uso do fogo tornou-se algo indispensável para o homem pré-
histórico. Este permitiu-lhe cozinhar os alimentos, aquecer-se e ainda obter iluminação
durante a noite e nas cavernas.
No Neolítico, ocorreu uma revolução a nível agrícola aquando da domesticação dos
animais, o que fez com que fosse gerada energia para que os carros primitivos adquirissem
movimento e fossem um auxílio nos trabalhos agrícolas. O Homem neolítico serviu-se ainda
do carvão como fonte de energia após ter aprendido a forma correta de o usar [3].
Durante a Idade Média, surgiu em grande escala uma outra fonte de energia. O
vento tornou-se na principal variável para que os navegadores europeus pudessem, pelo
mar, descobrir novas terras e continentes, o que melhorou a economia europeia, trouxe
vantagens a nível cultural e contribuiu para o desenvolvimento da humanidade. Para além
da contribuição para os Descobrimentos, o vento foi ainda crucial para que o Homem
pudesse transformar matérias-primas em produtos finais através dos moinhos de vento. É
de realçar que não foi apenas o vento que foi usado nos moinhos. Pela sua ação mecânica,
a água em forma corrente também adquiriu um papel importante nesse meio.
Séculos mais tarde, durante a Revolução industrial, a descoberta da forma de
transformação de energia térmica em energia mecânica tornou possível o desenvolvimento
das máquinas a vapor, que tiveram a combustão da madeira como fonte de energia inicial.
Com o passar dos anos, ocorreu uma evolução a nível do combustível sendo que este
passou a ser o carvão (combustível fóssil). Esta fonte de energia era mais fácil de
acondicionar durante o transporte, no entanto só era passível de ser utilizado em grandes
veículos, como barcos e comboios. Para os automóveis, a fonte de energia utilizada era o
petróleo, dado que devido à sua fluidez, podia facilmente circular pelo tubos e tanques.
“O sistema de transporte usado hoje em dia evoluiu como resultado do
desenvolvimento dos motores de combustão interna” [4].
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Os motores de combustão interna transformam a energia proveniente de reações
químicas em energia mecânica. Por outro lado, a eletricidade, gerada a partir de
combustíveis fósseis ou através de fontes de energia renováveis, levou à criação dos
motores elétricos que armazenam e fazem a distribuição da energia elétrica. Assim, as
fontes de energia conhecidas até ao momento tornaram-se em fontes meramente primárias,
necessárias apenas para a produção de um outro tipo de energia (secundária) que é a
necessária para a geração do trabalho.
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Energias Solares e aplicações futuras 10
3. Do primeiro coletor de luz solar aos painéis solares
No que respeita à energia solar como uma fonte primária de energia para a
produção de eletricidade, pode dizer-se que é uma ideia que remonta para finais do século
XIII. O primeiro coletor de energia solar foi obra do cientista suíço Horace de Saussure, que
o construiu para posterior utilização deste por John Herschel para cozinhar durante uma
viagem à África do Sul no ano de 1830.
“O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmond
Becquerel que verificou que placas metálicas, de platina ou prata, mergulhadas num
eletrólito, produziam uma pequena diferença de potencial quando expostas à luz” [5].
Este dá-se por movimentação de eletrões de valência num semicondutor quando
neste incide radiação solar. Pela dopagem, ou seja, pela inserção de substâncias estranhas
no semicondutor (por exemplo, o silício), são criadas duas superfícies no semicondutor: uma
camada tipo n e uma camada tipo p. Estas camadas diferem pela existência em excesso de
cargas positivas na camada p e de cargas negativas na camada n. A camada p tem um
excesso de cargas positivas, pois há um átomo de silício que possui um eletrão de valência
livre para estabelecer ligação covalente (lacuna), enquanto na região n, existe um excesso
de cargas negativas pois existe um eletrão de valência na substância estranha que não
estabelece ligação covalente (eletrão livre). Juntando as superfícies n e p, gera-se um
campo elétrico. A absorção da radiação solar pelos eletrões e posterior conversão desta
energia em energia elétrica [6].
Com a descoberta da fotocondutividade do selénio, no ano de 1873 por Willoughby
Smith, tornou-se possível que, em 1877, W. G. Adams e R. E. Day (inventores norte
americanos) desenvolvessem um aparelho que procedia à produção de energia elétrica
quando exposto à luz.
Em 1905, Albert Einstein descreveu o fotoelétrico, razão pela qual lhe foi atribuído o
Prémio Nobel da Física em 1921 [7].
Figura 1. Efeito fotovoltaico: formação das camadas n e p num semicondutor.
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Energias Solares e aplicações futuras 11
Assim, a partir do ano de 1953, quando Calvin Fuller criou uma barra de silício com
pequenas concentrações de gálio (que tornam o silício condutor), sugeriu ao seu colega
Gerald Pearson que mergulhasse essa barra em lítio quente. Durante a análise da amostra,
Pearson verificou que esta produzia corrente elétrica quando exposta à luz. A primeira
célula solar feita de silício foi criada, e com a vantagem de uma maior taxa de conversão do
que uma célula de selênio, com cerca de 6% de rendimento (um valor bastante alto para a
época). Com o passar dos anos novas ideias foram surgindo o que tornou a célula
fotovoltaica de silício um produto apetecível para a produção de energia elétrica. No
entanto, devido aos altos custos de produção, decidiu-se que estas só poderiam ser
utilizadas em aplicações muito específicas, nomeadamente em satélites espaciais. Apesar
desta ideia, a célula solar de silício foi primeiramente aplicada como fonte de alimentação
para uma rede telefónica, em 1955, nos Estados Unidos da América, mais concretamente,
Georgia.
Até aos anos sessenta, a utilização das células solares era exclusiva para projetos
espaciais, e deste modo, começou a haver uma grande evolução destas no sentido de se
acompanhar a corrida espacial. No entanto, começou a haver uma evolução a nível do
preço, que cada vez se tornou maior. A produção de células solares para uso terrestre pela
SOLAREX (empresa americana de Jospeh Lindmayer) tornou-se possível ainda nessa
década.
Figura 2. Primeira aplicação da célula solar de
silício, em 195, na Georgia.
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Energias Solares e aplicações futuras 12
Com a consciência de que a queima de combustíveis fósseis contribuía em grande
escala para a as alterações climáticas, começou a dar-se mais valor às energias renováveis,
nomeadamente à energia solar. Assim, no ano de 1982, na Califórnia foi criada a primeira
central de solar com elevadas dimensões. Para além disso, desenvolveu-se a consciência
de que para além do progresso a nível da taxa de eficiência das células, era necessário
também reduzirem-se os custos de produção. Percebeu-se que estes custos poderiam ter
um decréscimo se se fabricassem mais células solares, ou seja, produções em grande
escala [8].
Deste modo, nos dias de hoje, a investigação no ramo da energia solar centra-se
em formas de aumentar o rendimento da conversão energética e de arranjar materiais onde
se possam aplicar as células solares.
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4. Energia solar nos dias de hoje
Hoje em dia, o aproveitamento da energia solar encontra-se em constante
evolução, sendo inúmera a quantidade de projetos que visa o melhoramento da produção
da energia elétrica. No entanto, destacam-se dois tipos de tecnologia que realizam o
aproveitamento da energia solar, seja por transformação em energia elétrica ou por
aquecimento de fluidos.
4.1. Painéis Fotovoltaicos [9]
Os painéis solares são uma tecnologia de produção de energia elétrica através da
energia solar, que se baseia no efeito fotoelétrico.
Este é um equipamento cuja utilização tem evoluído muito, e tudo indica que
continue a crescer. De facto, o painel fotovoltaico é a chave de quase todo o
desenvolvimento das aplicações da energia solar, porque hoje em dia, a energia elétrica é
fundamental.
Os painéis são constituídos por um conjunto de várias células fotovoltaicas ligadas
em série, e é nelas que se processa o efeito fotoelétrico. É na composição destas células
que se distinguem os tipos de painéis, dos quais se destacam alguns.
Figura 3. Painel fotovoltaico.
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Energias Solares e aplicações futuras 14
4.1.1. Células de Silício Monocristalino
Este tipo de células são as que são usadas há mais tempo, no entanto, são a
tecnologia mais cara. São obtidas através de processos complexos, uma vez que o mineral
de silício é utilizado com uma estrutura cristalina bem definida, o que contribui para o preço
final deste equipamento. No entanto, são estas células que obtém o melhor resultado na
conversão elétrica, chegando o seu rendimento até 15%.
4.1.2. Células de Silício Policristalino
Nestas células, o mineral não é trabalhado tão rigorosamente, e por consequência
os processos são menos complexos. Isto implica uma redução não só no preço, como
também no rendimento, sendo atribuídos para este tipo de equipamento valores à volta dos
12,5%.
4.1.3. Células de Silício Amorfo
Este último tipo de célula é o mais utilizado, não só por ter um baixo custo, mas
também porque pode ser utilizado para painéis de grande área e também porque tem uma
estrutura que permite a sua fácil utilização como material de construção. A utilização do
silício com uma baixa organização estrutural faz com que os processos de fabrico sejam
mais rápidos, fáceis e baratos. Porém, o rendimento da célula é baixo, na ordem dos 8% a
10%, e a eficiência tende a baixar ao longo do tempo de utilização.
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4.2. Coletores Solares [10]
Os coletores solares são equipamentos que têm o objetivo de transformar a energia
solar em energia térmica, e transferi-la com o melhor rendimento possível para a água.
Assim, este tipo de tecnologia é muito utilizada para o aquecimento de águas domésticas,
tendo também outras aplicações. Normalmente, um coletor solar é constituído por placas
coletoras, que transformam a energia solar, e um reservatório térmico, onde se armazena a
água quente. Porém, não existe apenas um tipo de coletor. Mediante a sua aplicação,
surgiram vários tipos diferentes de coletor.
4.2.1. Coletor Plano
É o tipo de coletor solar mais comum. Por ter como principal destino a produção de
água quente a temperaturas inferiores a 60ºC, é a escolha habitual para o uso doméstico de
aquecimento de águas.
A sua estrutura é também a base de desenvolvimento dos outros tipos de coletor,
sendo constituídos por:
● Uma cobertura transparente, para reduzir as perdas de calor, criando efeito estufa.
● Uma placa de absorção, que recebe a energia solar e a transforma em calor,
transmitindo esse calor para os fluidos que circulam nos tubos.
● Uma caixa isolada, que pelo seu isolamento térmico, evita perdas de calor.
Também confere rigidez, para além de proteger o interior do coletor de agentes
externos.
Figura 4. Coletor solar.
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4.2.2. Coletores concentradores
Os coletores concentradores foram concebidos para obter temperaturas mais
elevadas, através do aumento da concentração. De facto, é daí que vem o nome de
coletores concentradores, uma vez que a concentração é a relação entre a área de
captação de radiação solar e a área de receção.
No entanto, à medida que a concentração aumenta, o ângulo mínimo de incidência
da radiação para ser captada diminui, por isso o coletor deve manter-se perpendicular à
inclinação da radiação, seguindo a trajetória do sol. Os mecanismos associados a este
processo são, para além de complicados, bastante caros, o que, a par da captação única da
radiação perpendicular ao coletor, constitui uma desvantagem deste equipamento.
4.2.3. Coletores concentradores parabólicos (CPC)
Estes concentradores resultam de uma combinação das propriedades dos
coletores planos e dos coletores concentradores, na medida que conseguem ter
praticamente a mesma aplicação que os coletores planos mas produzindo temperaturas
mais elevadas. Estas temperaturas que chegam a mais de 70ºC são obtidas graças à
geometria inovadora da superfície de absorção, em que a sua forma de acento circunflexo
permite a melhor receção das radiações refletidas pela superfície refletora.
4.2.4. Coletores de tubos de vácuo
Os coletores de vácuo são utilizados para obter temperaturas superiores a 90ºC
com um bom rendimento. O material usado na sua construção e até mesmo o vácuo no
interior dos tubos contribuem para este rendimento, tornando possível a obtenção de
energia nas zonas de fraca exposição solar, nos dias de maior nebulosidade e até com
temperaturas ambiente negativas. É também resistente ao vento, à chuva e ao impacto.
4.2.5. Coletores sem cobertura
Estes coletores são usados para o aquecimento de piscinas e também de água
potável. Têm uma vantagem em relação aos outros tipos de coletor, que é o facto de a placa
de absorção substituir a cobertura do telhado, sendo facilmente adaptável aos contornos e
estrutura deste. É também de instalação fácil e económica. No entanto, devido ao seu baixo
rendimento, para obter uma mesma energia é preciso uma maior área de superfície de
absorção que os restantes coletores.
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5. Produção de energia solar em Portugal
Dentro dos países da Europa, Portugal é o país com a maior taxa de insolação de
toda a Europa, com a exceção do Chipre. No entanto, ainda não é uma realidade que esta é
a mais utilizada para a produção de energia elétrica [11].
Pela análise do seguinte gráfico da produção de eletricidade em Portugal de janeiro
a setembro de 2016, entende-se que apesar da taxa de insolação ser bastante elevada, não
existe um bom aproveitamento dessa elevada quantidade de energia. Para além disso,
entende-se que, em Portugal, existe uma sensibilização para que exista um maior
aproveitamento da energia renovável. Este facto é facilmente identificado dado que a taxa
percentual de energia elétrica produzida através de energias renováveis é de 64%.
Figura 5. Mapa com as taxas de insolação na Europa.
Figura 6. Percentagens das fontes de energia usadas para a conversão de eletricidade, em Portugal, em 2016, no período
de janeiro a setembro.
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Apesar de tudo isso a percentagem de energia final consumida no país, tem uma
taxa muito mais reduzida para a energia de origem renovável (está na ordem dos 27%). Nas
metas para o ano de 2020, espera-se que 31% de toda a energia consumida seja de origem
renovável, nomeadamente a energia para a produção de eletricidade que pode ser ainda
utilizada em meios de transporte, e a energia para a variação de temperatura de edifícios
[12].
Em Portugal, mais concretamente no Alentejo, está localizada a maior central
fotovoltaica do mundo com seguidores solares, isto é, os painéis fotovoltaicos instalados
têm a capacidade de “acompanhar automaticamente a trajectória do sol sobre o horizonte
em cada dia do ano e, desse modo, otimizar a produção de energia” [13]. Esta central de
grande envergadura localizada no município de Amareleja, ligada à rede em 2008, tem
capacidade de produção de 93 milhões de quilowatts por hora (kWh), com uma potência
máxima de 45,78 megawatts. Analisados os números, conclui-se que com toda esta energia
elétrica gerada, é possível de sustentar cerca de 30.000 lares portugueses, e reduzir em
grande capacidade as quantidades de dióxido de carbono libertado [14].
Figura 7. Central solar de Amareleja no Alentejo.
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6. Vantagens e Desvantagens
Há vários fatores a ter em conta quando se tem que optar por um conjunto de
formas de obter energia. No entanto, há particularidades boas e más na energia fotovoltaica
e cabe ao homem compará-las com as outras formas de energia e optar pela que será mais
adequada ao meio onde será aplicada. Pelo lado das vantagens, tem-se que a energia
fotovoltaica é renovável, abundante e sustentável, visto que é obtida a partir do sol, ou seja,
é sempre possível obtê-la desde que haja emissão solar. Adicionalmente, é uma energia
amiga do ambiente pois não tem emissões de dióxido de carbono.
Esta forma de obter energia tem inúmeras aplicações pois pode ser utilizada para
gerar eletricidade onde não há outra fonte de energia prévia, por exemplo aquecer um
montanhista no topo de uma montanha, ou tornar potável a água em África. Do ponto de
vista mais prático, como todas as outras energias renováveis, tem bastante apoio
governamental, mas ao contrário de outras formas de obter energia como a energia eólica, a
energia solar é silenciosa, não causando qualquer poluição sonora e não tendo a
necessidade de muita manutenção nos painéis solares. Estão-se a fazer avanços
tecnológicos constantes na indústria da energia solar de modo que, no futuro, se aumente o
rendimento dos painéis solares, e consequentemente estabilizando a relação preço/energia
para um nível muito mais apelativo
Apesar de ser uma energia renovável e de ser achar que estas não têm falhas, isso
é mentira, pelo que existem muitas desvantagens a si associadas. Primeiramente, debruce-
se acerca da realidade inquestionável do preço associado a esta energia: o custo dos
painéis solares e os custos associados ao armazenamento de energia. Apesar de, com os
apoios crescentes do governo, este custo estar a diminuir bastante, não é por isso que
deixam de haver forças de atrito vindas de interesses políticos.
Outro aspeto mau é a intermitência da fonte de energia, devido ao facto de esta ser
de acesso limitado ao período diurno. A produção dos painéis solares é outro problema.
Alguns processos de produção estão associados a emissões de gases de efeito estufa (o
que significa que o transporte e instalação podem significar poluição, indiretamente) ou ao
uso de materiais raros na natureza. Finalizando, dado o seu baixo rendimento, a energia
solar necessita de espaço para garantir a potência demandada.
Em suma, não há nenhuma maneira de obter energia que seja completamente
segura, mas a energia solar é mais favorável em comparação com as outras tecnologias
[15].
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Energias Solares e aplicações futuras 20
7. Projetos futuristas com base na energia solar
7.1. Projeto Telhas solares
A utilização de energia solar tem trazido vários desafios à engenharia nos últimos
anos, dado que os engenheiros para além de desejarem melhorar o aspeto visual dos
sistemas, ainda têm de otimizar a performance destes, pois há sempre a possibilidade de
evoluir. A ideia da criação de uma telha solar surgiu da estrutura inconveniente dos painéis
solares que para além de ocuparem muito espaço, são pesados e pouco estéticos. Assim, o
conjunto de todas as telhas funciona como um autêntico painel solar, mas com aspetos
positivos ao nível da estética e da economia de espaço [16].
7.1.1. Fabrico da Telha Fotovoltaica
A telha é fabricada em cerâmica e são equipadas com quatro células fotovoltaicas.
Por baixo de cada, há um conector e a cablagem, podendo-se ligar à estrutura e daí ao
conversor. Esta telha fotovoltaica é capaz de substituir os painéis tradicionais de captação
da luz do sol, pois tem a capacidade de gerar cerca de 3kW de energia numa área de 40m².
Quer isto dizer que, numa área de um telhado completo as necessidades energéticas de
uma casa podem ser facilmente suprimidas.
Figura 8. Aspeto de uma telha solar.
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Energias Solares e aplicações futuras 21
7.2. Projecto Juno [17]
O projeto Juno tem como objetivo estudar a atmosfera de Júpiter e o estado físico
do núcleo deste planeta com o intuito de se saber mais sobre a origem de Júpiter e de
outros planetas. Isto será alcançado através de uma sonda não tripulada denominada Juno
que irá orbitar em torno de Júpiter até completar 37 voltas completas, num tempo estimado
até 2018, enviando para a terra informações sobre este planeta, encontrando-se neste
momento na sua segunda órbita.
Juno descolou para fora da atmosfera terrestre no dia 5 agosto de 2011, e entrou
na órbita de Júpiter no dia 4 de julho de 2016, iniciando assim a sua primeira de 37 órbitas
em torno deste planeta criadas estrategicamente para esta nave espacial não passar pela
face de Júpiter que não está a ser iluminada pelo sol naquele momento.
Juno é uma sonda espacial movida a energia solar que veio revolucionar o ramo
das missões espaciais. Constituída por três painéis solares com 9 metros de comprimento e
alcançando um total 18000 células fotovoltaicas, é capaz de produzir a energia essencial
para Juno viajar até Júpiter e depois efetuar as 37 órbitas previstas, mesmo sendo a
intensidade da radiação incidente em Júpiter 25 vezes menor que na Terra [18].
7.2.1. Inovações de Juno
Juno foi a nave movida a energia solar que se afastou mais do sol (mais de 800 mil
quilómetros até ao momento), a primeira nave, das nove missões anteriores a Júpiter, cuja
fonte de energia é proveniente do sol e a nave que atingiu a maior velocidade de sempre
(250000 km/h).
Figura 9. Imagem meramente ilustrativa da sonda Juno próxima de Júpiter.
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Figura x- Representação de como o tecido fotovoltaico é constituido.
7.3. Tecido Fotovoltaico
Este projeto, que alia fibras têxteis à nanotecnologia, irá permitir uma integração
mais compacta de geradores de energia em locais, instrumentos, sistemas e estruturas
onde nunca seria possível com as atuais tecnologias fotovoltaicas.
Este “tecido” é uma fibra ótica (com menos espessura que um cabelo) baseada em
silício que tem a utilidade de uma célula fotovoltaica possuindo um componente eletrónico
associado a ela. Para tal, usam-se técnicas químicas de alta pressão para depositar
materiais semicondutores diretamente na fibra ótica, como mostra a imagem [19].
Estas fibras poderão ser úteis para vários fins como o carregamento de baterias de
aparelhos eletrônicos, o abastecimento de sensores de produtos químicos e de sistemas
biomédicos, que atualmente ainda não é possível. Concluindo, será assim desenvolvido um
novo tecido com capacidades fotovoltaicas, flexíveis, aplicável e prático que facilitará a
obtenção de energia em locais onde previamente não se poderia.
Figura 10. Esquema onde se explica a forma como o tecido fotovoltaico é constituído.
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Este projeto ainda está em vias de desenvolvimento: a finura, a resistência e o
desempenho elétrico ainda precisam de ser otimizados, mas o objetivo é obter um
rendimento de 4%. [20]
7.4. World Solar Challenge [21]
O World Solar Challenge é mais um exemplo de
iniciativas e projetos de aproveitamento da energia solar.
Este evento consiste numa competição de carros
elétricos movidos essencialmente a energia solar. Estes
carros são equipados com uma bateria cuja energia
armazenada apenas dura para cerca de 10% da prova,
mostrando-se deste modo a energia solar fulcral para o
carregamento contínuo da bateria e finalização da prova.
De facto, o evento visa estimular a imaginação, criatividade e força de vontade para
se alcançar aquilo que muitos já imaginaram, uma utopia em que os transportes utilizem a
energia limpa, como é o caso da energia solar.
Assim, o evento inclui 3 classes, cada uma com o seu tipo de regras relativamente
às dimensões do carro, dos painéis solares, número de rodas e ocupantes.
7.4.1. Challenger Class
Challenger Class é a classe mais cobiçada, em que o principal objetivo é obter o melhor
rendimento energético e a melhor relação com o desempenho do carro. Aqui, é também
incentivada a criatividade no design, o que permite relacionar várias variáveis da estrutura
do carro com a otimização do seu desempenho.
Figura 11. Logótipo do evento
World Solar Challenge.
Figura 12. “The Red Engine”, carro da equipa Solar Team Twente.
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7.4.2. Cruiser Class
Cruiser Class é uma categoria para testar o desenvolvimento do aproveitamento da
energia solar no que toca aos transportes. É talvez a classe mais futurista, em que é
esperado pela direção do evento a apresentação de veículos de transporte efetivo com um
bom desempenho e com um bom design de mercado, ou seja, é suposto os carros terem
um aspeto de comercialização.
7.4.3. Adventure Class
Adventure Class é para aqueles que não se encaixam no perfil das duas primeiras
categorias, bem como para os veículos que já participaram em edições anteriores. Assim, é
dada a estes participantes a oportunidade de realizarem este desafio, adicionando deste
modo um carácter lúdico à prova, visando instigar a evolução mesmo entre aqueles que não
tem os seus projetos tão evoluídos.
7.4.4. Definição da prova
Para todos os participantes, o objetivo é
percorrer cerca de 3000 quilómetros de solo australiano,
desde a cidade de Darwin até Adelaide. Para realizar
este percurso, é necessária uma grande quantidade de
energia, mas a capacidade máxima permitida da bateria
do carro é de 5 kWh, o que corresponde a
sensivelmente 10% da energia necessária. Assim, é
necessária uma fonte de energia para alimentar esta
bateria, que neste caso é o Sol. Como a maior parte
deste percurso é realizado pelo deserto Australiano,
Figura 14. Trajeto percorrido no World Solar Challenge, na Austrália.
Figura 13. “eVe”, carro da equipa Sunswift.
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estão assim asseguradas as condições solares necessárias para completar o desafio.
De facto, foi em 1982 que Hans Tholstrup e Larry Perkins atravessaram a Austrália
pela primeira vez com um carro solar. Devido a este feito, estes homens instigaram outros a
fazer o mesmo e assim nasceu o conceito do World Solar Challenge.
Hoje em dia, com apenas 6 m2 de painéis solares permitidos no carro, todas as
pessoas são desafiadas a completar esta prova, havendo uma forte participação de
universidades, instituições tecnológicas e até mesmo empresas de todo o mundo.
A evolução do desempenho dos carros é notória, pois na primeira prova realizada
em 1987, o primeiro classificado demorou 44h e 54min a concluí-la, com uma velocidade
máxima de 66.92 Km/h, enquanto na última edição, em 2015, o carro vencedor concluiu a
prova em 37h e 56min, atingindo os 91.75 Km/h.
Assim, o que começou por ser um desafio lúdico tornou-se uma das principais
provas e mostras de carros solares, bem como das evoluções das aplicações da energia
solar em geral.
Acerca do “World Solar Challenge”, Chris Selwood afirma: “Primarily a design
competition to find the world’s most efficient electric car, the biennial World Solar Challenge
seeks to inspire some of the brightest young people on the planet address the imperatives of
sustainable transport.” [22]
Um forte exemplo do impacto desta iniciativa é o surgimento de outras competições
baseadas no mesmo conceito em múltiplos países de vários continentes, como por
exemplo, em Portugal, o Portugal Solar Challenge, organizado pela Faculdade de Ciências
da Universidade de Lisboa.
Figura 15. Logótipo do Portugal Solar Challenge.
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8. Metas futuras das energias renováveis
Existem metas a nível governamental para, até um ano específico, uma
percentagem da eletricidade que é utilizada pelas populações ser proveniente de energias
renováveis. Apesar de esta percentagem de eletricidade não ser completamente derivada
da energia solar, é uma boa parte e portanto qualquer meta não deixa de ser uma meta
associada.
O objetivo é diminuir o consumo de combustíveis fósseis e aumentar o consumo de
energias renováveis. Apesar de isto poder resultar num aumento do preço da eletricidade, o
preço é compensado pelo aumento de outras taxas, para poder manter a eletricidade
acessível. Pelo menos 67 países a nível mundial têm políticas de energia. Na tabela 1,
pode-se analisar a percentagem da energia consumida que deriva de energias renováveis
em 27 países da UE em 2012 e o seu objetivo para o ano de 2020. [23]
Tabela 1. Tabela com a percentagem do consumo de energia derivada da conversão de energias
renováveis e metas para 2020, na União Europeia.
País
Energias Renováveis em 2012 (%)
Objetivo para 2020 (%)
Áustria 32.1 34.0
Bélgica 6.8 13.0
República Checa 11.2 13.0
Dinamarca 26 30.0
Finlândia 34.3 38.0
França 13.4 23.0
Alemanha 12.4 18.0
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Energias Solares e aplicações futuras 27
Grécia 11.6 18.0
Hungria 9.6 13.0
Irlanda 7.2 16.0
Itália 13.5 17.0
Luxemburgo 3.1 11.0
Holanda 4.5 14.0
Polónia 11.0 15.0
Portugal 24.6 31.0
Eslováquia 10.4 14.0
Espanha 14.3 20.0
Suécia 51.0 49.0
Reino Unido 4.20 15.0
Chipre 6.80 13.0
Malta 1.40 10.0
Bulgária 16.3 16.0
Eslovénia 20.2 25.0
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Lituânia 21.7 23.0
Roménia 22.9 24.0
Latvia 35.8 40.0
Estónia 25.9 25.0
Média: 16.7 21.4
Desta tabela pode-se concluir que Portugal está acima da média em 2014, o que é
bom de um certo ponto de vista, mas esta situação deve ser vista na sua globalidade. A
contribuição deve ser feita por todos os países de modo a atingir o objetivo de uma média
de 21.4 % de energia produzida proveniente de energias renováveis. Contudo, há que ter
em consideração o facto de alguns países terem mais disponibilidade acesso às energias
renováveis do que outros dadas as suas circunstâncias, como por exemplo a localização
geográfica.
Para cumprir estes objetivos, a união europeia está a apelar aos estados membros
o investimento nestas energias. O Comissário europeu para a Investigação, Ciência e
Inovação indica que na europa se investe cerca de 280 mil milhões de euros na
investigação, ciência e inovação. O futuro é incentivar os países a investir na investigação e
ciência em vez de subsidiar as fontes de energia fósseis.
A energia solar está rapidamente a tornar-se mais barata. No futuro irá permitir a
eletrificação de áreas remotas e ajudará também a proteger o clima, dada a diminuição do
uso de combustíveis fósseis. Ainda assim, apesar de ajudar a proteger o clima, o lucro
obtido através do aumento da eficiência da distribuição energética e, quando necessário,
armazenamento, reduz os custos da produção de energia.
Assim, estima-se que o custo da energia solar continue a diminuir, e em cerca de
dez anos, será produzido por todo o mundo a um preço de 4-6 cêntimos por KWh. [24]
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9. Conclusões
Após esta análise, fica claro que a energia solar e o seu aproveitamento têm um
potencial enorme. De facto, num mundo em que a poluição é cada vez uma preocupação
maior, é necessário encontrar outras soluções para o suprimento das necessidades
energéticas do planeta. Ficou aqui demonstrado que as energias renováveis,
nomeadamente a energia solar, estão a evoluir e cada vez existem mais engenheiros que
se dedicam ao melhoramento das aplicações desta energia e do rendimento das
conversões. O estado atual do planeta suscita cada vez mais a preocupação com a
sustentabilidade e com a procura de “energias limpas” instigando a procura de soluções,
sendo o assunto que abordamos neste trabalho de extrema importância.
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Energias Solares e aplicações futuras 30
10. Lista de referências bibliográficas
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Energias Solares e aplicações futuras 31
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Tabela 1. URL: http://energytransition.de/files/2015/08/eurenewableshares.png