A energia solar é a luz radiante e o calor do Sol que é aproveitado usando uma gama de tecnologias em constante evolução, como aquecimento solar, energia fotovoltaica, energia solar térmica, arquitetura solar, usina de energia salgada derretida e fotossíntese artificial.
É uma fonte importante de energia renovável e suas tecnologias são amplamente caracterizadas como solar passiva ou solar ativa dependendo de como elas capturam e distribuem energia solar ou a convertem em energia solar. 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 a orientação de um edifício para o Sol, a seleção de materiais com propriedades térmicas ou de dispersão de luz favoráveis e a criação de espaços que circulam naturalmente o ar.
A grande magnitude da energia solar disponível faz com que seja uma fonte de eletricidade altamente atraente. O Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento, em sua Avaliação Mundial de Energia de 2000, descobriu que o potencial anual de energia solar era de 1.575 a 49.837 exajoules (EJ). Isso é várias vezes maior que o consumo mundial total de energia, que foi de 559,8 EJ em 2012.
Em 2011, a Agência Internacional de Energia disse que “o desenvolvimento de tecnologias de energia solar acessíveis, inesgotáveis e limpas terá enormes benefícios a longo prazo. Aumentará a segurança energética dos países através da dependência de um recurso indígena, inesgotável e principalmente independente de importação” Aumente a sustentabilidade, reduza a poluição, reduza os custos da mitigação do aquecimento global e mantenha os preços dos combustíveis fósseis mais baixos do que de outra forma.Então, os custos adicionais dos incentivos para a implantação antecipada devem ser considerados investimentos de aprendizado; precisam ser amplamente compartilhados “.
Potencial
A Terra recebe 174 petawatts (PW) de radiação solar (insolação) na atmosfera superior. Aproximadamente 30% são refletidos de volta ao espaço, enquanto o restante é absorvido por nuvens, oceanos e massas de terra. O espectro da luz solar na superfície da Terra é maioritariamente distribuído pelos intervalos visíveis e quase infravermelhos, com uma pequena parte no ultravioleta próximo. A maioria da população mundial vive em áreas com níveis de insolação de 150 a 300 watts / m², ou 3,5 a 7,0 kWh / m² por dia.
A radiação solar é absorvida pela superfície terrestre da Terra, os oceanos – que cobrem cerca de 71% do globo – e a atmosfera. Ar quente contendo água evaporada dos oceanos aumenta, causando circulação atmosférica ou convecção. Quando o ar atinge uma altitude elevada, onde a temperatura é baixa, o vapor de água condensa-se em nuvens, que chovem sobre a superfície da Terra, completando o ciclo da água. O calor latente da condensação de água amplifica a convecção, produzindo fenômenos atmosféricos como vento, ciclones e anticiclones. A luz solar absorvida pelos oceanos e massas de terra mantém a superfície a uma temperatura média de 14 ° C. Através da fotossíntese, as plantas verdes convertem a energia solar em energia armazenada quimicamente, que produz alimentos, madeira e a biomassa da qual derivam os combustíveis fósseis.
A energia solar total absorvida pela atmosfera da Terra, oceanos e massas de terra é de aproximadamente 3.850.000 exajoules (EJ) por ano. Em 2002, isso foi mais energia em uma hora do que o mundo usado em um ano. A fotossíntese capta aproximadamente 3.000 EJ por ano em biomassa. A quantidade de energia solar que chega à superfície do planeta é tão grande que em um ano é quase o dobro da obtida de todos os recursos não renováveis de carvão, petróleo, gás natural e urânio extraídos da Terra combinados. ,
A energia solar potencial que poderia ser usada pelos humanos difere da quantidade de energia solar presente perto da superfície do planeta porque fatores como geografia, variação de tempo, cobertura de nuvens e a terra disponível para os humanos limitam a quantidade de energia solar que nós pode adquirir.
A geografia afeta o potencial de energia solar porque as áreas mais próximas do equador têm uma quantidade maior de radiação solar. No entanto, o uso de energia fotovoltaica que pode seguir a posição do sol pode aumentar significativamente o potencial de energia solar em áreas que estão mais distantes do equador. A variação do tempo afeta o potencial da energia solar porque durante a noite há pouca radiação solar na superfície da Terra para que os painéis solares sejam absorvidos. Isso limita a quantidade de energia que os painéis solares podem absorver em um dia. A cobertura de nuvens pode afetar o potencial dos painéis solares porque as nuvens bloqueiam a entrada de luz do sol e reduzem a luz disponível para as células solares.
Além disso, a disponibilidade de terra tem um grande efeito sobre a energia solar disponível, porque os painéis solares só podem ser instalados em terrenos que não são utilizados e adequados para painéis solares. Telhados foram encontrados para ser um local adequado para células solares, como muitas pessoas descobriram que eles podem coletar energia diretamente de suas casas desta forma. Outras áreas que são adequadas para células solares são terras que não estão sendo usadas para empresas onde as usinas solares podem ser instaladas.
As tecnologias solares são caracterizadas como passivas ou ativas dependendo da maneira como captam, convertem e distribuem a luz solar e permitem que a energia solar seja aproveitada em diferentes níveis em todo o mundo, dependendo principalmente da distância do equador. Embora a energia solar se refira principalmente ao uso da radiação solar para fins práticos, todas as energias renováveis, além da energia geotérmica e da energia das marés, derivam sua energia direta ou indiretamente do sol.
Técnicas solares ativas usam energia fotovoltaica, energia solar concentrada, coletores solares térmicos, bombas e ventiladores para converter luz solar em saídas úteis. As técnicas solares passivas incluem a seleção de materiais com propriedades térmicas favoráveis, a criação de espaços que naturalmente circulam o ar e a referência da posição de um edifício ao sol. As tecnologias solares ativas aumentam o suprimento de energia e são consideradas tecnologias do lado da oferta, enquanto as tecnologias solares passivas reduzem a necessidade de recursos alternativos e são geralmente consideradas tecnologias do lado da demanda.
Em 2000, o Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento, o Departamento de Assuntos Econômicos e Sociais da ONU e o Conselho Mundial de Energia publicaram uma estimativa da energia solar potencial que poderia ser usada por humanos a cada ano, levando em conta fatores como insolação, cobertura de nuvens e a terra que é utilizável pelos seres humanos. A estimativa descobriu que a energia solar tem um potencial global de 1.575 a 49.837 EJ por ano (veja a tabela abaixo).
Energia térmica
As tecnologias solares térmicas podem ser usadas para aquecimento de água, aquecimento de espaços, refrigeração de espaços e geração de calor de processo.
Adaptação comercial antecipada
Em 1878, na Exposição Universal de Paris, Augustin Mouchot demonstrou com sucesso um motor a vapor solar, mas não pôde continuar o desenvolvimento por causa do carvão barato e de outros fatores.
Em 1897, Frank Shuman, um inventor dos EUA, engenheiro e pioneiro da energia solar, construiu um pequeno motor solar de demonstração que refletia a energia solar em caixas quadradas cheias de éter, que tem um ponto de ebulição menor do que a água e eram equipadas internamente com preto. tubos que por sua vez alimentavam um motor a vapor. Em 1908, Shuman formou a Sun Power Company com a intenção de construir usinas de energia solar maiores. Ele, junto com seu consultor técnico ASE Ackermann e o físico britânico Sir Charles Vernon Boys, desenvolveram um sistema aprimorado usando espelhos para refletir energia solar em caixas coletoras, aumentando a capacidade de aquecimento na medida em que a água poderia agora ser usada em vez do éter. Shuman então construiu um motor a vapor em grande escala movido a água de baixa pressão, permitindo-lhe patentear todo o sistema de motores solares em 1912.
Shuman construiu a primeira usina térmica solar do mundo em Maadi, Egito, entre 1912 e 1913. Sua usina usava calhas parabólicas para alimentar um motor de 45 a 52 quilowatts (60 a 70 hp) que bombeava mais de 22.000 litros (4.800 imp gal; 5.800 US gal) de água por minuto do rio Nilo para campos de algodão adjacentes. Embora a eclosão da Primeira Guerra Mundial e a descoberta do petróleo barato na década de 1930 tenham desencorajado o avanço da energia solar, a visão e o projeto básico de Shuman foram ressuscitados na década de 1970 com uma nova onda de interesse pela energia solar térmica. Em 1916, Shuman foi citado na mídia defendendo a utilização da energia solar, dizendo:
Aquecimento de água
Os sistemas de água quente solar usam a luz solar para aquecer a água. Em baixas latitudes geográficas (abaixo de 40 graus), de 60 a 70% do uso doméstico de água quente com temperaturas de até 60 ° C pode ser fornecido por sistemas de aquecimento solar. Os tipos mais comuns de aquecedores solares de água são coletores de tubos evacuados (44%) e coletores de placas planas (34%) geralmente usados para água quente doméstica; e coletores de plástico não lustrados (21%) utilizados principalmente para aquecer piscinas.
A partir de 2007, a capacidade total instalada de sistemas de água quente solar era de aproximadamente 154 gigawatt térmicos (GWth). A China é líder mundial em sua implantação com 70 GWth instalados a partir de 2006 e uma meta de longo prazo de 210 GWth até 2020. Israel e Chipre são os líderes per capita no uso de sistemas de água quente solar com mais de 90% das residências eles. Nos Estados Unidos, Canadá e Austrália, o aquecimento de piscinas é a aplicação dominante de água quente solar com uma capacidade instalada de 18 GWth a partir de 2005.
Aquecimento, arrefecimento e ventilação
Nos Estados Unidos, os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) representam 30% (4,65 EJ / ano) da energia usada em edifícios comerciais e quase 50% (10,1 EJ / ano) da energia usada em edifícios residenciais. Tecnologias de aquecimento solar, refrigeração e ventilação podem ser usadas para compensar uma parte dessa energia.
Massa térmica é qualquer material que possa ser usado para armazenar calor – calor do Sol no caso de energia solar. Materiais comuns de massa térmica incluem pedra, cimento e água. Historicamente, eles têm sido usados em climas áridos ou regiões temperadas quentes para manter os edifícios frescos, absorvendo a energia solar durante o dia e irradiando calor armazenado para a atmosfera mais fria durante a noite. No entanto, eles podem ser usados em áreas frias e temperadas para manter o calor também. O tamanho e a colocação da massa térmica dependem de vários fatores, como clima, iluminação natural e condições de sombreamento. Quando adequadamente incorporada, a massa térmica mantém as temperaturas do espaço em uma faixa confortável e reduz a necessidade de equipamentos auxiliares de aquecimento e resfriamento.
Uma chaminé solar (ou chaminé térmica, neste contexto) é um sistema de ventilação solar passivo composto por um poço vertical que liga o interior e exterior de um edifício. À medida que a chaminé aquece, o ar no interior é aquecido, causando uma corrente de ar que puxa o ar através do edifício. O desempenho pode ser melhorado usando materiais de massa térmica e de vidro de uma maneira que imita as estufas.
Árvores e plantas de folha caduca foram promovidas como um meio de controlar o aquecimento e resfriamento solar. Quando plantadas no lado sul de um edifício no hemisfério norte ou no lado norte no hemisfério sul, suas folhas fornecem sombra durante o verão, enquanto os membros nus permitem que a luz passe durante o inverno. Desde árvores nuas, sem folhas, sombreamento de 1/3 a 1/2 da radiação solar incidente, há um equilíbrio entre os benefícios do sombreamento de verão e a correspondente perda de aquecimento no inverno. Em climas com cargas significativas de aquecimento, as árvores de folha caduca não devem ser plantadas no lado voltado para o Equador de um prédio, pois elas interferirão na disponibilidade solar de inverno. Eles podem, no entanto, ser usados nos lados leste e oeste para fornecer um grau de sombreamento de verão sem afetar de forma significativa o ganho solar no inverno.
Cozinhando
Os fogões solares usam a luz solar para cozinhar, secar e pasteurizar. Eles podem ser agrupados em três grandes categorias: fogões de caixa, panelas de painel e fogões de refletor. O fogão solar mais simples é o fogão de caixa construído por Horace de Saussure em 1767. Um fogão de caixa básico consiste em um recipiente isolado com uma tampa transparente. Pode ser usado efetivamente com céu parcialmente nublado e normalmente atingirá temperaturas de 90 a 150 ° C (194 a 302 ° F). Os fogões de painéis usam um painel refletivo para direcionar a luz do sol para um recipiente isolado e atingir temperaturas comparáveis às dos fogões. Os fogões refletoras usam várias geometrias de concentração (prato, cavidade, espelhos de Fresnel) para focalizar a luz em um recipiente para cozinhar. Esses fogões atingem temperaturas de 315 ° C (599 ° F) e acima, mas exigem luz direta para funcionar adequadamente e devem ser reposicionados para rastrear o sol.
Calor de processo
As tecnologias de concentração solar, como refletores parabólicos, calha e Scheffler, podem fornecer calor de processo para aplicações comerciais e industriais. O primeiro sistema comercial foi o Projeto de Energia Total Solar (STEP) em Shenandoah, Geórgia, EUA, onde um campo de 114 pratos parabólicos forneceu 50% das necessidades de aquecimento, ar condicionado e eletricidade do processo para uma fábrica de roupas. Este sistema de cogeração conectado à rede forneceu 400 kW de eletricidade mais energia térmica na forma de vapor de 401 kW e 468 kW de água gelada, e teve um armazenamento térmico de carga de pico de uma hora. As lagoas de evaporação são piscinas rasas que concentram sólidos dissolvidos por evaporação. O uso de lagoas de evaporação para obter sal da água do mar é uma das aplicações mais antigas da energia solar. Os usos modernos incluem a concentração de soluções de salmoura usadas na mineração de lixiviação e a remoção de sólidos dissolvidos de fluxos de resíduos. Linhas de roupas, feiras de roupas e cabideiros secam as roupas por evaporação pelo vento e pela luz do sol sem consumir eletricidade ou gás. Em alguns estados dos Estados Unidos, a legislação protege o “direito de secar” as roupas.
Tratamento de água
A destilação solar pode ser usada para tornar potável água salgada ou salobra. O primeiro exemplo registrado disso foi pelos alquimistas árabes do século XVI. Um projeto de destilação solar em grande escala foi construído pela primeira vez em 1872 na cidade mineradora chilena de Las Salinas. A usina, que tinha área de coleta solar de 4.700 m2 (51.000 pés quadrados), poderia produzir até 22.700 L (5.000 galões; 6.000 galões americanos) por dia e operar por 40 anos. Os projetos individuais incluem inclinação única, inclinação dupla (ou tipo de estufa), vertical, cônico, absorvedor invertido, efeito multi-pavio e múltiplo. Esses stills podem operar em modos passivos, ativos ou híbridos. Os alambiques de dupla inclinação são os mais econômicos para fins domésticos descentralizados, enquanto as unidades ativas de múltiplos efeitos são mais adequadas para aplicações de grande escala.
A desinfecção solar da água (SODIS) envolve a exposição de garrafas plásticas de polietileno tereftalato (PET) cheias de água à luz solar durante várias horas. Os tempos de exposição variam dependendo do clima e do clima, de um mínimo de seis horas a dois dias durante condições totalmente nubladas. É recomendado pela Organização Mundial de Saúde como um método viável para o tratamento doméstico de água e armazenamento seguro. Mais de dois milhões de pessoas nos países em desenvolvimento usam este método para a sua água potável diária.
A energia solar pode ser usada em uma lagoa de estabilização de água para tratar águas residuais sem produtos químicos ou eletricidade. Outra vantagem ambiental é que as algas crescem nessas lagoas e consomem dióxido de carbono na fotossíntese, embora as algas possam produzir substâncias químicas tóxicas que tornam a água inutilizável.
Tecnologia de sal derretido
O sal fundido pode ser empregado como um método de armazenamento de energia térmica para reter a energia térmica coletada por uma torre solar ou por uma usina solar concentrada, de modo que possa ser usada para gerar eletricidade em clima ruim ou à noite. Isso foi demonstrado no projeto Solar Two de 1995-1999. Prevê-se que o sistema tenha uma eficiência anual de 99%, uma referência à energia retida pelo armazenamento de calor antes de transformá-lo em eletricidade, em vez de converter calor diretamente em eletricidade. As misturas de sais fundidos variam. A mistura mais extensa contém nitrato de sódio, nitrato de potássio e nitrato de cálcio. É não inflamável e não tóxico, e já foi usado nas indústrias química e metalúrgica como fluido de transporte de calor, portanto, a experiência com esses sistemas existe em aplicações não solares.
O sal derrete a 131 ° C (268 ° F). É mantido líquido a 288 ° C (550 ° F) em um tanque de armazenamento “frio” isolado. O sal líquido é bombeado através de painéis em um coletor solar, onde o sol concentrado aquece a 566 ° C (1.051 ° F). Em seguida, é enviado para um tanque de armazenamento quente. Isso é tão bem isolado que a energia térmica pode ser armazenada por até uma semana.
Quando a eletricidade é necessária, o sal quente é bombeado para um gerador de vapor convencional para produzir vapor superaquecido para uma turbina / gerador como usado em qualquer usina convencional de carvão, petróleo ou energia nuclear. Uma turbina de 100 megawatts precisaria de um tanque com cerca de 9,1 metros (30 pés) de altura e 24 metros (79 pés) de diâmetro para acioná-lo por quatro horas por este projeto.
Várias usinas parabólicas na Espanha e a desenvolvedora de torres de energia solar SolarReserve usam esse conceito de armazenamento de energia térmica. A Estação Geradora de Solana nos EUA tem seis horas de armazenamento por sal fundido. A usina de María Elena é um complexo termo-solar de 400 MW na região de Antofagasta, no norte do Chile, que emprega tecnologia de sal fundido.
Produção de eletricidade
A energia solar é a conversão da luz solar em eletricidade, seja diretamente usando energia fotovoltaica (PV) ou indiretamente usando energia solar concentrada (CSP). Os sistemas CSP usam lentes ou espelhos e sistemas de rastreamento para concentrar uma grande área de luz solar em um pequeno feixe. PV converte luz em corrente elétrica usando o efeito fotoelétrico.
Espera-se que a energia solar se torne a maior fonte de eletricidade do mundo até 2050, com a energia solar fotovoltaica e a energia solar concentrada contribuindo com 16 e 11% para o consumo global global, respectivamente. Em 2016, após mais um ano de rápido crescimento, a energia solar gerou 1,3% da energia global.
Usinas de energia solar concentrada comercial foram desenvolvidas pela primeira vez na década de 1980. A Usina de Energia Solar Ivanpah, de 392 MW, no Deserto de Mojave, na Califórnia, é a maior usina de energia solar do mundo. Outras grandes centrais solares concentradas incluem a central solar Solnova de 150 MW e a central solar Andasol de 100 MW, ambas em Espanha. O Projeto Solar Caliente Solar, de 250 MW, nos Estados Unidos, e o Parque Solar Charanka, de 221 MW, na Índia, são as maiores usinas fotovoltaicas do mundo. Projetos solares que excedam 1 GW estão sendo desenvolvidos, mas a maioria dos fotovoltaicos implantados estão em matrizes de teto menores de 5 kW, que estão conectadas à rede usando medição líquida e / ou uma tarifa de alimentação.
Fotovoltaica
Nas últimas duas décadas, a energia fotovoltaica (PV), também conhecida como solar PV, evoluiu de um nicho de mercado puro de aplicações de pequena escala para se tornar uma fonte de eletricidade convencional. Uma célula solar é um dispositivo que converte luz diretamente em eletricidade usando o efeito fotoelétrico. A primeira célula solar foi construída por Charles Fritts na década de 1880. Em 1931, um engenheiro alemão, Dr. Bruno Lange, desenvolveu uma célula fotográfica usando seleneto de prata no lugar do óxido de cobre. Embora o protótipo de células de selênio tenha convertido menos de 1% da luz incidente em eletricidade, tanto Ernst Werner von Siemens quanto James Clerk Maxwell reconheceram a importância dessa descoberta. Seguindo o trabalho de Russell Ohl na década de 1940, os pesquisadores Gerald Pearson, Calvin Fuller e Daryl Chapin criaram a célula solar de silício cristalino em 1954. Essas primeiras células solares custaram 286 USD / watt e atingiram eficiências de 4,5 a 6%. Em 2012, as eficiências disponíveis excederam 20%, e a eficiência máxima da fotovoltaica de pesquisa foi superior a 40%.
Energia solar concentrada
Os sistemas de energia solar concentrada (CSP) usam lentes ou espelhos e sistemas de rastreamento para concentrar uma grande área de luz solar em um pequeno feixe. O calor concentrado é então usado como fonte de calor para uma usina convencional. Existe uma ampla gama de tecnologias de concentração; as mais desenvolvidas são a calha parabólica, o refletor de fresnel linear concentrador, o prato Stirling e a torre de energia solar. Várias técnicas são usadas para rastrear o Sol e focar a luz. Em todos esses sistemas, um fluido de trabalho é aquecido pela luz solar concentrada e é usado para geração de energia ou armazenamento de energia.
Arquitetura e Urbanismo
A luz solar influenciou o design do edifício desde o início da história da arquitetura. Arquitetura solar avançada e métodos de planejamento urbano foram utilizados pela primeira vez pelos gregos e chineses, que orientaram seus edifícios em direção ao sul para fornecer luz e calor.
As características comuns da arquitetura solar passiva são a orientação em relação ao Sol, a proporção compacta (uma baixa relação entre a área de superfície e o volume), o sombreamento seletivo (saliência) e a massa térmica. Quando esses recursos são adaptados ao clima e ambiente locais, eles podem produzir espaços bem iluminados que ficam em uma faixa de temperatura confortável. A Megaron House de Sócrates é um exemplo clássico de design solar passivo. As abordagens mais recentes ao design solar utilizam modelagem computacional que une sistemas de iluminação solar, aquecimento e ventilação em um pacote de projeto solar integrado. Equipamentos solares ativos, como bombas, ventiladores e janelas comutáveis, podem complementar o design passivo e melhorar o desempenho do sistema.
As ilhas de calor urbano (UHI) são áreas metropolitanas com temperaturas mais altas do que as do ambiente circundante. As temperaturas mais altas resultam do aumento da absorção de energia solar por materiais urbanos, como asfalto e concreto, que possuem albedos mais baixos e maiores capacidades de calor do que aqueles no ambiente natural. Um método simples de neutralizar o efeito UHI é pintar edifícios e estradas de branco e plantar árvores na área. Usando esses métodos, um programa hipotético de “comunidades frias” em Los Angeles projetou que as temperaturas urbanas poderiam ser reduzidas em aproximadamente 3 ° C a um custo estimado de US $ 1 bilhão, dando benefícios anuais totais estimados de US $ 530 milhões com ar condicionado reduzido custos e poupança de saúde.
Agricultura e Horticultura
A agricultura e a horticultura buscam otimizar a captura de energia solar para otimizar a produtividade das plantas. Técnicas como ciclos de plantio cronometrados, orientação de fileiras sob medida, alturas escalonadas entre fileiras e a mistura de variedades de plantas podem melhorar o rendimento das lavouras. Embora a luz solar seja geralmente considerada um recurso abundante, as exceções destacam a importância da energia solar para a agricultura. Durante as curtas estações de crescimento da Pequena Idade do Gelo, os agricultores franceses e ingleses empregaram paredes de frutas para maximizar a coleta de energia solar. Essas paredes agiam como massas térmicas e aceleravam o amadurecimento, mantendo as plantas aquecidas. As primeiras paredes de frutas foram construídas perpendicularmente ao solo e voltadas para o sul, mas com o tempo, paredes inclinadas foram desenvolvidas para aproveitar melhor a luz solar. Em 1699, Nicolas Fatio de Duillier chegou a sugerir o uso de um mecanismo de rastreamento que pudesse girar para seguir o sol. As aplicações da energia solar na agricultura, além do cultivo, incluem o bombeamento de água, a secagem de culturas, a incubação de pintinhos ea secagem do esterco de galinha. Mais recentemente, a tecnologia foi adotada por viticultores, que usam a energia gerada por painéis solares para alimentar prensas de uva.
As estufas convertem luz solar em calor, permitindo a produção durante todo o ano e o crescimento (em ambientes fechados) de culturas especializadas e outras plantas que não são naturalmente adequadas ao clima local. Estufas primitivas foram usadas pela primeira vez durante os tempos romanos para produzir pepinos durante todo o ano para o imperador romano Tibério. As primeiras estufas modernas foram construídas na Europa no século 16 para manter plantas exóticas trazidas de explorações no exterior. As estufas continuam sendo uma parte importante da horticultura hoje em dia, e materiais plásticos transparentes também foram usados para efeitos similares em politeturis e coberturas de fileira.
Transporte
O desenvolvimento de um carro movido a energia solar tem sido uma meta de engenharia desde os anos 80. O World Solar Challenge é uma corrida bianual de carros movidos a energia solar, na qual equipes de universidades e empresas competem por mais de 3.021 quilômetros (1.877 milhas) pela Austrália central, de Darwin a Adelaide. Em 1987, quando foi fundada, a velocidade média do vencedor era de 67 quilômetros por hora (42 mph) e em 2007 a velocidade média do vencedor havia melhorado para 90,87 quilômetros por hora (56,46 mph). O North American Solar Challenge e o planejado South African Solar Challenge são competições comparáveis que refletem um interesse internacional na engenharia e desenvolvimento de veículos movidos a energia solar.
Alguns veículos usam painéis solares para energia auxiliar, como para ar condicionado, para manter o interior frio, reduzindo assim o consumo de combustível.
Produção de combustível
Processos químicos solares usam energia solar para impulsionar reações químicas. Esses processos compensam a energia que, de outra forma, viria de uma fonte de combustível fóssil e também pode converter energia solar em combustíveis armazenáveis e transportáveis. Reações químicas induzidas por energia solar podem ser divididas em termoquímicas ou fotoquímicas. Uma variedade de combustíveis pode ser produzida pela fotossíntese artificial. A química catalítica multieletrônica envolvida na fabricação de combustíveis baseados em carbono (como o metanol) a partir da redução do dióxido de carbono é um desafio; Uma alternativa viável é a produção de hidrogênio a partir de prótons, embora o uso da água como fonte de elétrons (como as plantas fazem) requer o domínio da oxidação multieletrônica de duas moléculas de água para o oxigênio molecular. Alguns prevêem o funcionamento de usinas de combustível solar em áreas metropolitanas costeiras até 2050 – a divisão da água do mar fornecendo hidrogênio a ser operado por usinas elétricas de células de combustível adjacentes e o subproduto de água pura indo diretamente para o sistema municipal de água. Outra visão envolve todas as estruturas humanas cobrindo a superfície da terra (ou seja, estradas, veículos e edifícios) fazendo fotossíntese de forma mais eficiente do que plantas.
As tecnologias de produção de hidrogênio têm sido uma área significativa de pesquisa em produtos químicos solares desde a década de 1970. Além da eletrólise acionada por células fotovoltaicas ou fotoquímicas, vários processos termoquímicos também foram explorados. Uma dessas rotas usa concentradores para dividir a água em oxigênio e hidrogênio em altas temperaturas (2.300-2.600 ° C ou 4.200-4.700 ° F). Outra abordagem utiliza o calor dos concentradores solares para acionar a reforma do gás natural, aumentando assim o rendimento total do hidrogênio em comparação com os métodos convencionais de reforma. Ciclos termoquímicos caracterizados pela decomposição e regeneração de reagentes apresentam outro caminho para a produção de hidrogênio. O processo de Solzinc em desenvolvimento no Weizmann Institute of Science utiliza um forno solar de 1 MW para decompor o óxido de zinco (ZnO) a temperaturas acima de 1.200 ° C (2.200 ° F). Esta reação inicial produz zinco puro, que pode ser posteriormente reagido com água para produzir hidrogênio.
Métodos de armazenamento de energia
Sistemas de massa térmica podem armazenar energia solar na forma de calor em temperaturas domésticas úteis para durações diárias ou inter-temporais. Os sistemas de armazenamento térmico geralmente usam materiais prontamente disponíveis com altas capacidades específicas de calor, como água, terra e pedra. Sistemas bem projetados podem reduzir a demanda de pico, mudar o tempo de uso para horários fora de pico e reduzir os requisitos gerais de aquecimento e resfriamento.
Materiais de mudança de fase, como cera de parafina e sal de Glauber, são outro meio de armazenamento térmico. Esses materiais são baratos, prontamente disponíveis e podem fornecer temperaturas úteis no mercado interno (aproximadamente 64 ° C ou 147 ° F). A “Dover House” (em Dover, Massachusetts) foi a primeira a usar o sistema de aquecimento a sal de Glauber, em 1948. A energia solar também pode ser armazenada em altas temperaturas usando sais fundidos. Os sais são um meio de armazenamento efetivo, pois são de baixo custo, têm alta capacidade específica de calor e podem fornecer calor a temperaturas compatíveis com os sistemas convencionais de energia. O projeto Solar Two usou esse método de armazenamento de energia, permitindo armazenar 1,44 terajoules (400.000 kWh) em seu tanque de armazenamento de 68 m³ com uma eficiência anual de armazenamento de cerca de 99%.
Os sistemas fotovoltaicos fora da rede têm tradicionalmente usado baterias recarregáveis para armazenar o excesso de eletricidade. Com sistemas vinculados à rede, o excesso de eletricidade pode ser enviado para a rede de transmissão, enquanto a eletricidade padrão da rede pode ser usada para atender às deficiências. Os programas de medição líquida dão crédito aos sistemas domésticos por qualquer eletricidade que eles entreguem à rede. Isso é controlado pelo ‘retrocesso’ do medidor sempre que a casa produz mais eletricidade do que consome. Se o uso de eletricidade líquida estiver abaixo de zero, a concessionária transferirá o crédito em quilowatts-hora para o próximo mês. Outras abordagens envolvem o uso de dois metros para medir a eletricidade consumida versus a eletricidade produzida. Isso é menos comum devido ao aumento do custo de instalação do segundo medidor. A maioria dos medidores padrão medem com precisão em ambas as direções, tornando desnecessário um segundo medidor.
A hidroeletricidade por acumulação por bombeamento armazena energia na forma de água bombeada quando a energia está disponível de um reservatório de elevação inferior para um de elevação mais alta. A energia é recuperada quando a demanda é alta, liberando a água, com a bomba se tornando um gerador de energia hidrelétrica.
Desenvolvimento, Implantação e Economia
Começando com o aumento do uso de carvão que acompanhou a Revolução Industrial, o consumo de energia tem mudado constantemente de madeira e biomassa para combustíveis fósseis. O início do desenvolvimento das tecnologias solares a partir da década de 1860 foi impulsionado pela expectativa de que o carvão em breve se tornaria escasso. No entanto, o desenvolvimento de tecnologias solares estagnou no início do século 20, em face da crescente disponibilidade, economia e utilidade do carvão e do petróleo.
O embargo do petróleo de 1973 e a crise energética de 1979 causaram uma reorganização das políticas energéticas em todo o mundo e renovaram a atenção para o desenvolvimento de tecnologias solares. As estratégias de implantação concentraram-se em programas de incentivo, como o Programa Federal de Utilização Fotovoltaica nos EUA e o Programa Sunshine no Japão. Outros esforços incluíram a formação de instalações de pesquisa nos EUA (SERI, agora NREL), no Japão (NEDO) e na Alemanha (Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar ISE).
Aquecedores solares comerciais de água começaram a aparecer nos Estados Unidos na década de 1890. Estes sistemas viram uso crescente até a década de 1920, mas foram gradualmente substituídos por combustíveis de aquecimento mais baratos e confiáveis. Tal como acontece com a energia fotovoltaica, o aquecimento solar de água atraiu uma atenção renovada como resultado da crise do petróleo na década de 1970, mas os juros diminuíram nos anos 80 devido à queda dos preços do petróleo. O desenvolvimento no setor de aquecimento solar de água progrediu continuamente ao longo da década de 1990 e as taxas de crescimento anual foram em média de 20% desde 1999. Embora geralmente subestimadas, o aquecimento e resfriamento de água solar é de longe a tecnologia solar mais amplamente empregada, com uma capacidade estimada de 154 GW. 2007.
A Agência Internacional de Energia para a Energia Solar pode fazer consolidações para resolver alguns dos problemas mais urgentes que o mundo enfrenta agora:
O desenvolvimento de tecnologias de energia solar, inesgotáveis e de controle remoto. Fazer cadastro ou validação e de uma única vez, fazer com que seja sustentável, fazer uma aposta, fazer parte do custo de vida, fazer exercícios e fazer exercícios com pesos. . Essas vantagens são globais. Assim, os custos adicionais dos incentivos a um plano antecipado de investimento em aprendizagem; As pessoas devem ser esperadas e precisam ser amplamente compartilhadas.
Em 2011, um relatório da Agência Internacional de Energia descobriu que as tecnologias de energia solar, como a energia fotovoltaica, a energia solar e a energia solar concentrada, são um recurso da energia global para o ano de 2060. A energia do sol foi fundamental na descarbonização da economia global, com a eficiência energética e a emissão de custos aos emissores de gases de efeito estufa.