O que é energia solar? Como funciona?

O que é energia?

Energia é uma propriedade física que se manifesta em diversas formas e é fundamental para a existência e transformação de todos os seres e sistemas do universo. Ela pode ser definida como a capacidade de realizar trabalho, ou seja, a habilidade de mover objetos ou causar mudanças em um sistema.

Existem diferentes tipos de energia, como a energia mecânica (associada ao movimento de objetos), a energia térmica (associada à temperatura), a energia elétrica (associada ao movimento de cargas elétricas), a energia química (associada a reações químicas), entre outras. A energia pode ser transferida de um sistema para outro, e nunca é criada nem destruída, apenas transformada de uma forma para outra. Essa é a chamada lei da conservação da energia, que é uma das leis fundamentais da física.

O que é energia solar: definição

Energia solar é a energia obtida a partir da luz solar, que é convertida em energia elétrica ou calor por meio do uso de tecnologias específicas. Essa energia é renovável e limpa, o que significa que sua produção não emite gases poluentes que possam contribuir para o aquecimento global.

A energia solar é capturada de diversas formas, sendo as mais comuns as células fotovoltaicas, que convertem diretamente a luz do sol em energia elétrica, e os sistemas de aquecimento solar, que utilizam a radiação solar para aquecer água ou ar.

A energia solar tem se tornado cada vez mais popular nos últimos anos, especialmente devido ao seu baixo custo e ao aumento da conscientização sobre a necessidade de reduzir a dependência de fontes de energia não renováveis e poluentes.

Para quê serve a energia solar?

A energia solar tem diversas aplicações e pode ser utilizada para diversos fins, incluindo:

1. Geração de energia elétrica: a energia solar é usada para gerar energia elétrica por meio de células fotovoltaicas, que convertem diretamente a luz solar em energia.
2. Aquecimento de água: a energia solar também pode ser usada para aquecer água em residências, edifícios comerciais e industriais por meio de sistemas de aquecimento solar.
3. Aquecimento de ambientes: a energia solar também pode ser usada para aquecer ambientes por meio de sistemas de aquecimento solar que utilizam o ar como meio de transporte de energia.
4. Iluminação pública: a energia solar pode alimentar sistemas de iluminação pública em ruas, parques e praças.
5. Eletrificação rural: a energia solar pode ser utilizada para eletrificar regiões remotas e rurais que não estão conectadas à rede elétrica, por meio de sistemas fotovoltaicos.

Tipos de energia solar

Existem basicamente 3 tipos de energia solar: a energia solar térmica e a energia solar fotovoltaica.

1. Energia Solar Térmica: é uma forma de aproveitar a energia do sol para produzir calor. Isso é feito por meio de coletores solares, que captam a radiação solar e a convertem em calor para aquecer água ou outros fluidos. Essa tecnologia é muito utilizada para aquecimento de água em residências, edifícios comerciais e industriais, bem como para aquecimento de ambientes.
2. Energia Solar Fotovoltaica: é uma forma de aproveitar a energia do sol para produzir energia elétrica. Isso é feito por meio de células fotovoltaicas, que convertem a luz do sol diretamente em eletricidade. Essa tecnologia é muito utilizada para a produção de energia elétrica em residências, edifícios comerciais e industriais, bem como em grandes usinas de energia solar.

Energia Solar Fotovoltaica

A energia solar fotovoltaica é o tipo de energia solar mais procurado nos dias de hoje. É uma tecnologia que converte a energia solar diretamente em energia elétrica. Ela é produzida por meio de células fotovoltaicas, que são compostas de materiais semicondutores, geralmente de silício. Essas células possuem uma camada superior com carga negativa e uma camada inferior com carga positiva, o que cria um campo elétrico entre elas. Quando a luz do sol atinge a célula fotovoltaica, os elétrons da camada superior são liberados e se movem para a camada inferior, gerando uma corrente elétrica.

O que contém em um kit de energia fotovoltaico?

Um sistema fotovoltaico típico é composto de várias partes, incluindo os painéis fotovoltaicos, um inversor string ou vários microinversores, baterias de armazenamento de energia (em caso de off-grid ou híbrido), um sistema de monitoramento e um sistema de conexão à rede elétrica.

Como funciona a energia solar fotovoltaica?

Para produzir energia solar fotovoltaica em grande escala, as células fotovoltaicas são conectadas em módulos, que são então conectados em série ou em paralelo para formar um sistema fotovoltaico. Os painéis fotovoltaicos podem ser instalados em telhados de edifícios residenciais ou comerciais, em grandes usinas solares terrestres ou flutuantes, ou até mesmo em equipamentos portáteis como mochilas e carregadores solares.

O painel solar capta a luz do sol e faz gerar energia elétrica, que é enviada para o inversor. O inversor converte a corrente contínua (CC) gerada pelos módulos em corrente alternada (CA), que é a forma de energia elétrica usada nas casas e edifícios. Se houver baterias de armazenamento, elas armazenam a energia elétrica gerada pelos módulos durante o dia para uso à noite ou em dias nublados. O sistema de monitoramento monitora o desempenho do dos painéis fotovoltaicos, enquanto o sistema de conexão à rede elétrica permite que a energia excedente seja enviada de volta para a rede elétrica pública.

A produção de energia solar fotovoltaica é renovável e limpa, que não emite poluentes durante a geração de energia elétrica. Embora o custo dos sistemas fotovoltaicos tenha diminuído significativamente nos últimos anos, ainda pode ser um investimento significativo. No entanto, muitas pessoas consideram a energia solar fotovoltaica como uma maneira de economizar dinheiro em suas contas de energia a longo prazo, bem como reduzir sua pegada de carbono e contribuir para um futuro mais sustentável.

O que é energia solar fotovoltaica Off Grid, On Grid (Grid Tie) e híbrida?

Energia solar Off Grid, On Grid (Grid Tie) e híbrida são termos que se referem a diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos:

Off Grid

Também conhecido como sistema isolado, é um sistema de energia solar que não está conectado à rede elétrica pública. Ele geralmente é utilizado em locais remotos onde não há acesso à energia elétrica da rede pública ou em propriedades que desejam se desconectar da rede elétrica. Nesse sistema, a energia gerada pelos painéis solares é armazenada em baterias para uso posterior.

On Grid (Grid Tie)

Também conhecido como sistema conectado à rede elétrica, é um sistema de energia solar que está conectado à rede elétrica pública. Nesse sistema, a energia gerada pelos painéis solares é usada imediatamente pela propriedade, e o excesso de energia pode ser enviado de volta para a rede elétrica pública. Isso significa que o proprietário pode economizar dinheiro na conta de energia ou até mesmo receber créditos pela energia enviada de volta para a rede.

Híbrido

É um sistema que combina elementos dos sistemas Off Grid e On Grid. Ele é capaz de armazenar a energia gerada pelos painéis solares em baterias para uso posterior, mas também pode estar conectado à rede elétrica pública para garantir que a energia elétrica esteja sempre disponível, mesmo quando não há sol suficiente para gerar energia solar suficiente.

Energia térmica solar (aquecedor solar)

A energia solar térmica é uma forma de aproveitar a energia do sol para produzir calor, que pode ser utilizado para aquecer água, ambientes ou outros fluidos. Esse tipo de energia é muito utilizado para aquecimento de água em residências, edifícios comerciais e industriais.

Como funciona a energia solar térmica?

Os coletores solares são a principal peça de um aquecedor solar. Eles captam a radiação solar e a convertem em calor. Existem dois tipos principais de coletores solares: os coletores planos e os coletores de tubos evacuados.

coletores planos

Os coletores planos são os mais comuns e consistem em uma caixa com uma cobertura de vidro e um absorvedor preto no interior. A luz do sol passa através do vidro e é absorvida pelo absorvedor, aquecendo-o. O absorvedor é geralmente feito de metal pintado de preto, que é um bom absorvente de calor. A água ou outro fluido circula através de tubos dentro do absorvedor, absorvendo o calor e transferindo-o para um tanque de armazenamento ou diretamente para o uso.

coletores de tubos evacuados

Os coletores de tubos evacuados são semelhantes aos coletores planos, mas usam tubos de vidro a vácuo para reduzir a perda de calor. Cada tubo contém um absorvedor que aquece a água ou o fluido que passa através dele.

O aquecedor solar pode ser utilizado em combinação com outros sistemas de energia térmica, como aquecedores a gás ou elétricos, para reduzir o consumo de energia e a conta de energia elétrica. Além disso, a energia térmica solar é uma forma de energia limpa e renovável, contribuindo para a preservação do meio ambiente.

Energia Solar Heliotérmica

A energia heliotérmica é uma maneira de aproveitar a energia do sol para produzir eletricidade, mas ao contrário da energia solar fotovoltaica, utiliza o calor do sol. Em uma usina heliotérmica, espelhos são usados para concentrar a radiação solar em um ponto, aquecendo um líquido que é usado para gerar vapor, que por sua vez alimenta turbinas geradoras de energia elétrica.

Embora as usinas heliotérmicas tenham bom rendimento na geração elétrica e possam armazenar calor para uso noturno, elas não são tão populares quanto as usinas solares fotovoltaicas devido a seu custo mais alto e a possíveis impactos ambientais desse tipo de energia.

A instalação de uma usina de energia heliotérmica requer certas condições geográficas para maximizar a eficiência do sistema. Em geral, a usina de energia heliotérmica é mais adequada para áreas com alta insolação, ou seja, áreas com maior incidência de luz solar direta ao longo do ano. Por isso, é comum que as usinas de energia heliotérmica sejam instaladas em regiões com elevada exposição solar, como desertos ou planícies áridas.

Usinas de energia solar heliotérmica ao redor do mundo

1. Ivanpah Solar Electric Generating System – localizada no deserto de Mojave, nos EUA, é uma das maiores usinas de energia solar heliotérmica do mundo, com uma capacidade instalada de 377 MW;
2. Cerro Dominador – localizada no Deserto de Atacama, no Chile, é uma usina solar híbrida que combina tecnologias de energia heliotérmica e fotovoltaica, com uma capacidade instalada de 110 MW;
3. Noor Complex – localizada no deserto do Saara, em Marrocos, é uma das maiores usinas de energia heliotérmica do mundo, com uma capacidade instalada de 580 MW;
4. Shams Power – localizada em Abu Dhabi, nos Emirados Árabes Unidos, é uma usina de energia heliotérmica com uma capacidade instalada de 100 MW;
5. Solnova Solar Power Station – localizada na Andaluzia, na Espanha, é uma usina de energia heliotérmica com uma capacidade instalada de 150 MW.

Benefícios da Energia Solar

Utilizar a energia solar traz uma série de benefícios, incluindo:

1. Renovabilidade: a energia solar é uma fonte de energia renovável e inesgotável, o que significa que ela não se esgota e não gera impactos ambientais negativos em sua produção
2. Baixo impacto ambiental: a gera de energia solar não emite gases de efeito estufa ou outros poluentes atmosféricos, contribuindo para a redução das emissões de gases que provocam o aquecimento global.
3. Redução de custos: a instalação destes sistemas pode reduzir os custos de energia a longo prazo, especialmente em regiões com alta incidência solar, o que significa que o retorno do investimento pode ser obtido em um curto período de tempo.
4. Independência energética: a energia solar pode oferecer independência energética a indivíduos e empresas, permitindo que gerem sua própria energia sem depender da rede elétrica.
5. Manutenção simples: os sistemas com painéis solares são relativamente simples e de fácil manutenção, reduzindo os custos e a necessidade de manutenção constante.
6. Versatilidade: a energia solar pode ser utilizada em diversas aplicações, desde sistemas de aquecimento de água até sistemas de geração de energia elétrica em grande escala, tornando-a uma opção versátil e adaptável às necessidades de cada situação.
7. Incentivos governamentais: em muitos países, governos oferecem incentivos fiscais e financeiros para a instalação de sistemas, tornando a tecnologia mais acessível e atraente para a população em geral.

Benefícios da energia solar para o meio ambiente

Principalmente quando comparada a fontes de energia não renováveis, como o petróleo e o carvão, utilizar a energia solar traz vários benefícios. Alguns dos principais são:

1. Redução das emissões de gases de efeito estufa: A energia solar é uma fonte de energia limpa e renovável que não emite gases de efeito estufa durante a geração de energia. Isso significa que a energia solar pode ajudar a reduzir as emissões de gases que contribuem para o aquecimento global e as mudanças climáticas.
2. Redução da poluição do ar e da água: Ao contrário das fontes de energia baseadas em combustíveis fósseis, a energia solar não emite poluentes atmosféricos ou poluentes líquidos que possam contaminar a água. Isso pode ajudar a reduzir a poluição do ar e da água, melhorando a qualidade de vida de pessoas e animais.
3. Preservação dos recursos naturais: A energia solar é uma fonte de energia renovável que não depende de recursos finitos, como o petróleo e o carvão. Isso significa que a energia solar pode ajudar a preservar os recursos naturais do planeta, tornando a energia mais sustentável a longo prazo.
4. Redução da pegada de carbono: A energia solar é uma fonte de energia limpa que produz eletricidade sem emitir gases de efeito estufa. Isso significa que a energia solar pode ajudar a reduzir a pegada de carbono das empresas e indivíduos, permitindo que eles operem de forma mais sustentável.
5. Contribuição para a conservação da biodiversidade: A redução das emissões de gases de efeito estufa e a preservação dos recursos naturais também ajudam a proteger a biodiversidade do planeta, permitindo que as espécies vivas continuem a prosperar em seus habitats naturais.

Benefícios da energia solar para o proprietário

1. Economia na conta de luz: ao instalar um sistema de energia solar, o proprietário passa a gerar a sua própria energia, reduzindo a dependência da rede elétrica convencional e, consequentemente, diminuindo a sua conta de luz.
2. Valorização do imóvel: a instalação de um sistema de energia solar pode valorizar o imóvel, tornando-o mais atraente para potenciais compradores, já que a energia solar é uma tendência cada vez mais forte e valorizada no mercado imobiliário.
3. Redução dos impactos ambientais: ao gerar energia limpa e renovável, o proprietário contribui para a redução da emissão de gases poluentes e, consequentemente, para a preservação do meio ambiente.
4. Autonomia energética: com a energia solar, o proprietário tem maior autonomia energética, já que pode gerar a sua própria energia e não depender da rede elétrica convencional, principalmente em locais onde há problemas de fornecimento de energia.
5. Baixa manutenção: usinas solares são projetados para terem uma longa vida útil e requerem pouca manutenção, o que reduz os custos e o trabalho para o proprietário.

Desvantagens da energia solar

Embora a energia solar seja uma fonte de energia renovável e sustentável, ela também apresenta algumas desvantagens, tais como:

1. Dependência da luz solar: a produção de energia solar depende diretamente da presença da luz solar, o que significa que a geração de energia pode ser limitada durante períodos de clima nublado ou durante a noite. No entanto, isso pode ser mitigado com o uso de sistemas de armazenamento de energia, como baterias.
2. Custo inicial elevado: o custo inicial para instalar energia solar em uma residência ou empresa pode ser alto, embora tenha diminuído significativamente nos últimos anos. Isso pode desencorajar algumas pessoas a investir em energia solar, apesar de sua rentabilidade a longo prazo.
3. Dependência de materiais importados: a produção de painéis solares envolve a utilização de materiais raros e importados, o que pode aumentar o custo e a dependência externa.
4. Impacto ambiental da produção de painéis solares: a fabricação de painéis solares pode gerar alguns resíduos tóxicos, como o silício utilizado no processo de fabricação. No entanto, a indústria tem trabalhado para reduzir o impacto ambiental da produção de painéis solares.
5. Espaço necessário: Os painéis solares em grande escala podem ocupar uma grande quantidade de espaço, o que pode ser um problema em áreas urbanas densamente povoadas.

Sistemas passivos e ativos para uso de energia solar

Existem duas categorias principais de sistemas para uso de energia solar: sistemas passivos e sistemas ativos.

Os sistemas passivos utilizam o design arquitetônico e elementos construtivos para maximizar o aproveitamento da luz solar natural e do calor, sem a necessidade de componentes elétricos ou mecânicos. Por exemplo, um edifício pode ser projetado com grandes janelas voltadas para o sol, que permitem a entrada de luz natural e aquecem o interior do edifício. Outro exemplo seria a utilização de materiais de construção com alta capacidade de armazenar calor, como paredes de pedra ou tijolo, que absorvem a luz solar durante o dia e liberam o calor armazenado durante a noite.

Os sistemas ativos, por outro lado, utilizam dispositivos mecânicos e/ou elétricos para converter a energia solar em outra forma de energia, como eletricidade ou calor. Existem duas principais categorias de sistemas ativos: sistemas fotovoltaicos e sistemas térmicos.

Os sistemas fotovoltaicos convertem diretamente a energia da luz solar em eletricidade por meio de células fotovoltaicas. Estes sistemas são comumente utilizados em residências e empresas para gerar eletricidade a partir do sol, e podem ser instalados em telhados ou em áreas externas.

Os sistemas térmicos convertem a energia solar em calor, que pode ser utilizado para aquecer água, ambientes ou produzir eletricidade. Estes sistemas incluem coletores solares planos e de tubos evacuados, que coletam a energia solar e a utilizam para aquecer água ou outros fluidos.

Ambos os sistemas passivos e ativos podem ser utilizados em conjunto para maximizar o aproveitamento da energia solar em um edifício ou em uma comunidade. Por exemplo, um edifício pode ser projetado com grandes janelas voltadas para o sol e ao mesmo tempo ter instalado um sistema fotovoltaico em seu telhado, além de um sistema de aquecimento solar para fornecer água quente para os moradores.

A geração de energia quando não tem sol

A geração de energia solar é diretamente dependente da disponibilidade de luz solar, isto é, a geração de energia é reduzida ou interrompida durante períodos de baixa ou nenhuma luminosidade. Porém, existem tecnologias que permitem a armazenagem de energia solar para o uso posterior.

Uma dessas tecnologias é a utilização de baterias solares, que armazenam a energia gerada durante o dia para ser utilizada à noite ou em dias nublados. As baterias solares são especialmente úteis em sistemas fotovoltaicos, que geram energia a partir da conversão direta da luz solar em eletricidade. Quando há excesso de energia produzida durante o dia, as baterias são carregadas e a energia armazenada é utilizada quando necessário.

Outra tecnologia que permite a produção de energia solar em períodos sem sol é a energia solar térmica, que utiliza a radiação solar para aquecer um fluido, como água ou ar, que é armazenado em reservatórios para ser utilizado posteriormente. A energia solar térmica é frequentemente utilizada para aquecer água em residências, piscinas e sistemas de aquecimento central.

Energia solar no mundo

Nos últimos anos, houve um aumento significativo na instalação de sistemas de energia solar em todo o mundo. Em 2008, a capacidade instalada global de energia solar era de cerca de 16 gigawatts (GW), mas em 2021 essa capacidade ultrapassou os 800 GW.

Esse aumento pode ser atribuído a vários fatores, como o crescente interesse por fontes de energia limpa e renovável, a redução dos custos dos sistemas fotovoltaicos e incentivos governamentais em muitos países.

A China é líder mundial em capacidade instalada de energia solar, tendo ultrapassado a marca dos 250 GW em 2021. Em seguida, vem os Estados Unidos com mais de 100 GW instalados, seguido por Japão, Alemanha e Índia.

No Brasil, a capacidade instalada de energia solar aumentou consideravelmente nos últimos anos, passando de cerca de 10 MW em 2012 para mais de 9 GW em 2021, com destaque para a região Nordeste do país. O Brasil também possui incentivos governamentais para a instalação de sistemas fotovoltaicos, como o programa “Net Metering” que permite que o consumidor possa gerar sua própria energia e, em caso de excedente, injetá-la na rede elétrica e receber créditos na conta de luz.

A tendência é que a instalação de sistemas de energia solar continue a crescer nos próximos anos, com a expansão dos mercados emergentes e a implementação de políticas públicas de incentivo à energia renovável em muitos países.

Energia solar no Brasil

Atualmente, a fonte de energia que mais cresce no Brasil é a energia solar, tanto em sistemas de geração distribuída (geração própria em residências, comércios e indústrias) quanto em grandes usinas solares fotovoltaicas. Segundo dados da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), em 2021 a capacidade instalada de energia solar no país ultrapassou a marca de 10 GW, o que representa um crescimento de mais de 400% nos últimos quatro anos. O crescimento da energia solar no Brasil é impulsionado pela queda de preços dos equipamentos e pela busca por fontes mais limpas e renováveis de energia.

Inversor Solar (inversor de tensão)

Um inversor solar, também conhecido como inversor de tensão, é um componente importante em um sistema de energia solar fotovoltaica, pois é responsável por converter a corrente contínua (DC) produzida pelos painéis solares em corrente alternada (AC), que é a forma de energia elétrica usada em residências e na rede elétrica.

Os painéis solares geram energia elétrica em corrente contínua (DC), que é a corrente elétrica que flui em uma única direção. Porém, a maioria das redes elétricas domésticas usa corrente alternada (AC), que é a corrente elétrica que muda de direção em intervalos regulares. O inversor solar é responsável por fazer essa conversão de DC para AC, permitindo que a energia solar gerada seja usada em casas e prédios.

Existem diferentes tipos de inversores solares, como os inversores centrais e os inversores string. Os inversores centrais são utilizados em grandes sistemas de energia solar fotovoltaica, enquanto os inversores string são usados em sistemas menores e residenciais.

Além disso, existem os inversores híbridos, que além de converter a energia solar de DC para AC, também permitem a utilização de baterias para armazenamento de energia solar excedente, possibilitando o uso de energia solar mesmo durante a noite ou em períodos sem sol.

Os inversores solares também desempenham outras funções importantes, como monitorar o sistema de energia solar para garantir que esteja funcionando de maneira eficiente e segura, e fornecer informações sobre a geração de energia solar para que os proprietários possam avaliar o desempenho do sistema.

Redução na conta de luz

A utilização da energia solar pode trazer uma redução significativa na conta de luz, já que é uma fonte de energia renovável e gratuita, o que reduz a dependência da eletricidade proveniente de fontes não renováveis, como a energia gerada a partir de combustíveis fósseis.

Ao instalar um sistema de energia solar fotovoltaico, o proprietário consegue ter sua produção de energia própria e pode, inclusive, gerar mais energia do que consome, possibilitando a venda do excedente para a concessionária de energia elétrica, gerando créditos que podem ser utilizados posteriormente.

Além disso, a energia solar permite que o proprietário se torne mais independente das flutuações de preços de energia elétrica no mercado, o que pode trazer maior estabilidade financeira e previsibilidade em relação aos custos com eletricidade.