AMERICAN WORD UNIVERSITY

LATO SENSU

ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES

ENGENHARIA NO CONTEXTO DO ECOSSISTEMA

por

ALEXANDRE DEZEM BERTOZZI

2368-LAD

RESUMO

O presente artigo trata de um problema que vem se agravando, nos últimos anos, com o consumo cada vez maior de energia, em especial a energia elétrica como um todo no Braisl e no resto do Mundo. Neste tratado, queremos dar uma noção mais aprofundada de como podemos "conservar" melhor a energia consumida em nossas residências, comércios e industrias de uma forma geral, preservando os recursos naturais existentes.

PALAVRAS-CHAVE: Conservação, Energia Elétrica, Solar, Anaeróbico, Digestores, Aquecedores, Tensão, Iluminação, Aquecimento, Fontes Não Renováveis de Energia

Em toda a história das civilizações o homem obteve da natureza, utilizando fontes renováveis, a energia para suprir suas necessidades. Além do vento, dos rios e mesmo das marés, ele sempre usufruiu da energia solar armazenada nas plantas, através das calorias de que necessitava seu organismo como, também, da madeira, para fins industriais e de transporte.

Ao carvão de origem vegetal veio acrescentar-se o de origem mineral, não renovável. Foi, entretanto, a descoberta do petróleo e o seu uso extensivo, fundamentado no seu baixo custo de extração, que modificou, no século passado, a estrutura mundial de consumo energético.

Com o advento desses combustíveis fósseis, principalmente do petróleo, coincidiu o alto desenvolvimento científico e tecnológico que a humanidade vem realizando nestes últimos 100 anos, o que permitiu que todos os esforços de pesquisa e desenvolvimento relacionados com fontes de energia convergissem para o petróleo, relegando-se às outras formas, uma posição marginal.

Em conseqüência, foi criado um complexo industrial que vem desenvolvendo e fabricando bilhões de motores que usam o petróleo, principalmente para transportes, tornando a economia mundial fortemente dependente desse combustível.

Esse complexo industrial foi sendo montado numa época de euforia, em que nem sequer se pensava no fato de que as reservas de petróleo eram finitas.

Com a chamada "crise do petróleo", entretanto, iniciada em setembro de 1973, alterou-se profundamente a tendência até então existente do uso exclusivo desse combustível. Essa crise, levou os povos a repensar seus planejamentos energéticos, fazendo-se voltarem à trilha histórica oferecida pela natureza e da qual nunca se deveriam ter afastado. O mundo conscientizou-se, com esta crise, não apenas de que o preço do petróleo iria aumentar como, também, de que esse combustível iria se esgotar. Teremos gasto, em menos de um século, a reserva de petróleo que a natureza levou milhões de anos para formar.

Essa conscientização vem acarretando uma volta às fontes renováveis de energia, como já se observa em várias partes do mundo, com a busca cada vez maior do uso da energia solar, direta ou indiretamente (infelizmente não é o caso do Brasil). O sol é um imenso reator a fusão, sendo responsável, na terra, pela formação dos ventos, dos rios, do calor, do crescimento das plantas, da atividade biológica dos animais, inclusive do homem e, em outras épocas, pela própria formação do carvão e do petróleo.

A maneira mais simples e racional de se usufruir da energia solar é, a de armazená-la, através da fotossíntese, em plantas como a cana-de-açúcar, mandioca, e madeira, entre outras, e transformá-las em álcool etílico, combustível líquido renovável, de viabilidade técnica e econômica para países, como o Brasil, que dispõem de grandes áreas não utilizadas.

Entretanto, outros usos da energia solar, cuja tecnologia já dominamos, principalmente para fins domésticos e agrícolas, precisam ser amplamente adotados pela população brasileira, para melhorar suas condições de vida e ajudar o País a economizar combustíveis (de um modo geral).

ENERGIA SOLAR.

O que é Energia?

Energia é um conceito amplamente usado nas ciências e muito bem definido na Física. O conceito de energia foi introduzido na Física, de forma sistemática, no século XVIII e desde então sofreu uma evolução, tornado-se hoje em dia um conceito não somente científico mas também econômico. Assim, pagamos a conta da companhia fornecedora de eletricidade, pela quantidade de energia elétrica por ela fornecida.

Antigamente, antes da Humanidade ter inventado as máquinas para substituir o trabalho manual do homem e o de tração dos animais de carga, não havia a necessidade do conceito de energia. Foi com a invenção das máquinas que os físicos criaram o conceito de energia, que a grosso modo, quer dizer, capacidade de realizar trabalho. Assim, o conceito de energia nos leva ao conceito de trabalho.

Consideremos um exemplo:

Tomemos duas bolas e uma mola que colocaremos entre as duas bolas. Comprimindo as bolas uma de encontro à outra, realizamos um trabalho, pois precisamos fazer uma determinada força para comprimir a mola. O sistema composto das bolas e da mola ganha, assim, quando a mola se acha comprimida, uma quantidade de energia potencial que é igual ao trabalho realizado para comprimir as bolas.

Vamos supor que mantemos a mola comprimida prendendo as duas bolas por um fio. O sistema conserva assim indefinidamente a energia potencial adquirida. Cortemos então o fio que retém a mola comprimida, a mola expande-se acelerando as bolas em sentidos opostos; o sistema perde a sua energia potencial e ganha energia de movimento. A mola volta ao seu tamanho original e as bolas adquirem energia cinética, isto é, energia de movimento.

Na realidade, o que convém guardarmos é o seguinte; Existe uma forma de energia na natureza chamada energia potencial, que pode ser armazenada indefinidamente. Essa energia, por meio de dispositivos adequados, pode ser liberada e então produzir energia mecânica. A energia mecânica pode finalmente ser transformada em trabalho útil ao homem.

Numa hidrelétrica, as águas de uma bacia hídrica são represadas. A água desce acelerando-se e vai assim transformando sua energia potencial em energia mecânica. A interceptação das águas por uma turbina extrai grande parte da energia das águas e a transforma em energia mecânica da turbina, e esta, acoplada a um gerador elétrico, transforma a energia mecânica em energia elétrica que é transportado pelos fios (cabos) de transmissão ao centro de consumo, onde produz trabalho útil. A represa constitui-se, assim, em armazém de energia potencial.

A energia potencial é mais comumente empregada no aproveitamento de energia nas hidroelétricas. As águas rio acima (montante) têm energia potencial em relação às águas rio abaixo (jusante).

A energia elétrica é uma forma de energia que só veio a ser amplamente empregada ao longo deste último século. O dispositivo básico para transformar energia elétrica em mecânica é o motor elétrico. A passagem de uma corrente elétrica pelo motor faz com que seu eixo entre em rotação. Na transformação inversa, isto é, na transformação de energia mecânica em elétrica, usa--se um gerador ou dínamo.

A energia química é a forma mais usada na natureza para armazenar energia. A energia química só é liberada durante uma reação química como na combustão, queima do carvão, etc. Nem sempre a liberação da energia química se faz por destruição do material (baterias ou acumuladores elétricos, por exemplo). Todo ser vivo necessita consumir energia para executar suas funções vitais, e a forma de energia que o ser vivo consome é química.

A energia nuclear é armazenada no núcleo atômico. Na terra, ela não ocorre nos processos naturais (salvo nas camadas mais internas do planeta), e só foi liberada artificialmente, pelo homem, na década de 40, com a explosão da primeira bomba atômica. Hoje em dia, a energia nuclear, além do uso bélico, é usada para produzir eletricidade e mover navios. No universo, a energia nuclear é mais comumente encontrada. Assim é que todas as estrelas queimam energia nuclear. Em particular, a energia solar é originalmente nuclear. O Sol queima no seu interior vasta quantidades de combustível nuclear, cuja energia liberada é convertida na superfície solar em energia radiativa.

A energia radiativa manifesta-se na natureza principalmente sob a forma de luz. Podemos imaginar a energia radiativa como armazenada em pequenos corpúsculos denominados fótons. Os fótons movem-se pelo espaço com a velocidade da luz e só são destruídos quando colidem com a matéria. Por sua vez, a própria matéria, em determinadas condições, emite fótons que se movimentam carregando energia. Essa é a forma pela qual o Sol envia energia à Terra. A energia radiativa é capaz de produzir reações químicas e, assim, converter-se em energia química. Os vegetais absorvem a energia radiativa vinda do Sol, e a convertem em energia química nas suas folhas. A energia radiativa pode também ser convertida diretamente em energia elétrica por meio das baterias solares, muito utilizadas nas naves espaciais e satélites artificiais. Mais comumente, a energia radiativa se converte em calor, isto é, energia térmica.

A energia térmica é calor. Todo corpo quente tem energia térmica e tanto mais quanto mais quente estiver. Toda forma de energia transforma-se, com relativa facilidade, em energia térmica, produzindo aquecimento.

É uma regra geral, das transformações de energia de uma forma para outra, que sempre se produz também energia térmica.

Para transformarmos a energia térmica em outra forma de energia, precisamos sempre ter um corpo mais frio para que o processo ocorra com alguma eficiência.

A energia que vem do Sol.

O Sol é uma imensa fornalha com forma de uma bola. Sua temperatura alcança, em seu interior, a cifra de quinze milhões de graus centígrados. Na superfície, sua temperatura é bem menor, de aproximadamente 6.000 graus centígrados.

Para manter-se sempre aquecido o Sol é uma enorme bomba de hidrogênio, permanentemente em explosão. Em tamanho, o Sol é 110 vezes maior do que a Terra.

A Terra encontra-se a 150 milhões de quilômetros do Sol e, a essa distância, somente uma pequena fração da energia solar chega à Terra. A energia nuclear produzida no interior do Sol é quase toda convertida em energia luminosa na sua superfície. É essa energia luminosa que a terra recebe para criar e sustentar todas as suas manifestações de vida. Como já citamos, podemos imaginar a energia luminosa como empacotadas em pequenas partículas que os cientistas chamam de fótons. Os fótons, movendo-se com a velocidade da luz, deixam a superfície do Sol em todas as direções. A terra, pequena rocha solta no Cosmo, intercepta uma pequeníssima fração desses fótons. É essa energia solar que recebemos.

Essa fração depende da distância a que a Terra se mantém do Sol. Não obstante a pequenez da fração de energia recebida, a Terra recebe a fantástica soma de 178 trilhões de quilowatts.

Uma parte apreciável dessa energia cai sobre os oceanos, outra sobre continentes. Na verdade, a energia solar não esta uniformemente distribuída sobre a sua superfície. As regiões polares recebem muito pouco energia, enquanto que as regiões tropicais, onde se encontra o Brasil, recebem mais energia solar que as regiões temperadas, onde se encontram a quase totalidade dos países desenvolvidos.

Essa energia não está toda disponível. Primeiramente, devemos considerar que a terra reflete, de volta para o cosmo, cerca de 30% dessa energia, que fica definitivamente perdida para uso na Terra. Dos 70% restantes, 23% são armazenados na atmosfera, sobrando assim 47% como energia solar que incide diretamente sobre a Terra na forma de luz e calor.

Além do ritmo diário, o Sol impõe um outro ritmo que resulta do movimento da Terra em sua órbita em torno do sol. Esse é o ritmo anual que o Sol impõe à natureza e seu efeito é a mudança das estações.

Há mais de bilhões de anos que toda a matéria viva sobre a Terra, que os cientistas chamam de biomassa, vem se diversificando, evoluindo e aumentando, respeitando os ritmos que o Sol lhe impõe, pois depende de forma essencial da energia que dele recebe, de onde podemos dizer que daí se inicia-se o ciclo da vida.

Nesse ciclo, é a energia solar em forma de luz e calor que aciona o processo.

Além do ciclo biológico, existe um outro ciclo energético provocado pelo Sol que devemos considerar: é o ciclo das águas ou ciclo hídrico.

Além desses ciclos, o Sol, pelo aquecimento desigual da própria atmosfera, provoca correntes de ar, ventos. Esses mesmos ventos são os responsáveis pelo carregamento das águas dos oceanos para as montanhas. Devido ao movimento da atmosfera, os ventos carregam energia mecânica que, foi muito usada nos moinhos de vento.

Anteriormente, descrevemos que 30% da energia que o Sol nos envia é refletida de volta para os espaços siderais. Os 70% restantes são absorvidos pela atmosfera e pela superfície terrestre, causando os ciclos biológicos e hídrico, o movimento dos ventos e o aquecimento.

É interessante sabermos de que maneira esses 70% da energia são absorvidos pela Terra:

* Aquecimento da superfície terrestre ~= 47%

* Movimento da atmosfera ~= 0,20%

* Ciclo biológico ~= 0,02%

* Manutenção do ciclo hídrico ~= 22,78%

Não só dos ventos, como também dos dois ciclos energéticos produzidos pelo sol, podemos retirar energia. Desse ciclo hídrico, a energia é retirada pelas hidroelétricas.

Do ciclo biológico, o homem tira energia queimando lenha, tendo o álcool como substituto da gasolina.

Acesso à energia.

Uma análise cuidadosa mostra que há quatro requisitos básicos que devem ser satisfeitos para que a energia solar seja economicamente útil. Os requisitos são: concentração, armazenamento, transformação e distribuição.

O problema que se segue é o seguinte: não há concentração de energia solar uma vez que ela se encontra uniformemente distribuída por metro quadrado.

Podemos agora então passar a descrever as soluções para os diversos dispositivos de aproveitamento da energia solar.

Dividiremos o uso da energia solar em uso direto e uso indireto. No uso direto da energia solar, consideraremos os dispositivos que coletam o calor do Sol e o empregam em diversas atividades como, por exemplo, o aquecimento d’água e secagem de grão e frutas. No uso indireto, consideraremos o aproveitamento da energia do ciclo hídrico por mini-centrais elétricas, dos ventos por cata-ventos geradores de energia elétrica, e da energia do ciclo biológico na produção de gás combustível através de digestores Anaeróbicos. Excluiremos, por outro lado, o uso de dispositivos de conversão direta de energia solar em energia elétrica, pois sua tecnologia não se encontra ainda disponível (em termos de custos/benefício), para uso extensivo no Brasil.

Coletores de Energia.

O componente mais importante de um sistema para uso direto da energia solar é o coletor solar, que transforma a luz recebida do Sol em calor. O calor obtido é usado para aquecer água, prédios ou, ainda, como elemento de um ciclo de refrigeração.

Qualquer projeto de coletor solar tem por objetivo, absorver energia do Sol, na região do visível, e transformar essa energia em calor. É também importante guardar o calor pelo maior tempo possível, isto é, não irradiar nem perder esse calor pelo contato do coletor com materiais que estejam à sua volta.

Uma vez que já sabemos o tipo de energia que vem do Sol, precisamos conhecer algumas propriedades de materiais para projetar um coletor que funcione como queremos.

Propriedades dos Materiais.

A cor de um objeto é dada pelo caráter seletivo da absorção da radiação solar pelos corpos materiais. Um objeto amarelo, por exemplo, é constituído de matéria que absorve o amarelo menos que as outras radiações visíveis. A maior parte do amarelo é refletida e dá a cor ao corpo que observamos.

A emitância de uma superfície real aumenta com sua aspereza. Nos metais, essa aspereza depende do grau de oxidação (ferrugem, por exemplo) da superfície. Já os metais muito polidos têm baixa emitância: são considerados bons refletores.

Se a absortância (e a emitância) de uma superfície depende do comprimento de onda, esse material é dito cinzento. Entre eles, citamos o óxido de ferro, o papel e a grafite.

A refletância de um material é a capacidade desse material de refletir a radiação que recebe. Ela depende do comprimento de onda da radiação incidente e, também, da inclinação com que a luz atinge a superfície.

É possível o desempenho dos coletores aproveitando ainda outra propriedade dos materiais, propriedades que diz respeito à sua transparência à radiação. A transparência depende também do tipo de radiação (comprimento de onda) incidente. Há substâncias, como o vidro e o plástico, que são praticamente transparentes para a luz visível, e opacas (não transmitem luz) para radiações infravermelhas, que são em parte refletidas e em partes absorvidas pelo material. O vidro tem as características ideais para produzir o efeito estufa.

O efeito estufa reforça a capacidade de armazenar calor dos coletores planos.

• Coletores Planos;

• Coletroes Focalizantes

  • Parabólicos;

  • Cilindros parabólicos

Há dois tipos básicos de aquecimento de água: a de baixa e alta temperatura. Os de alta temperatura são coletores focalizantes. Vamos nos dedicar à discussão dos coletores de baixa temperatura, usados principalmente para o aquecimento de água para residências, hospitais, hotéis, etc.

O aquecimento de água para usos domésticos (banho, limpeza, etc.), representa atualmente cerca de 10% da energia consumida em residências e estabelecimentos comerciais. É um consumo enorme de energia, suprido pelas fontes convencionais, como o gás e a eletricidade. Grande parte dessa demanda poderia ser suprida pelo aquecimento solar (direto), utilizando-se a tecnologia já existente.

A utilização de água quente em residências não varia muito durante o ano e o projeto do aquecedor pode prever um abastecimento apenas um pouco superior à média diária.

Sendo que para dimensionar um aquecedor solar, deve-se levar em conta o número de usuários. Normalmente, prevê-se cerca de 15 litros de água quente, por pessoa, por dia.

Para construir o aquecedor de água mais simples que existe, basta usar uma caixa d´agua retangular, rasa, coberta com vidro e colocala em lugar onde haja bastante sol.

O inconveniente é que essa caixa tem que ser enchida de manhã, e ela esfria muito durante a noite. Além disso, sempre que ela se esvazia, é preciso que alguém providencie mais água. O sistema, embora extremamente simples, não é muito prático.

Aquecedores solares sofisticados, eficientes, automáticos e resistentes, podem ser construídos sem muita dificuldade, mas iriam para o outro extremo da escala por serem de custo elevado. É entre esses extremos que se deve procurar a solução mais prática.

Correntes de Convexão

A transferência de calor entre dois corpos se dá de três maneiras principais: radiação, condução e convecção.

A transferência de calor por radiação ocorre sempre, porque todos os corpos irradiam, e tanto mais quanto mais quentes estiverem.

A transferência de calor por condução ocorre quando dois corpos são postos em contato. O calor de um corpo passa para o outro pela superfície de contato entre eles, havendo a tendência de que os dois atinjam a mesma temperatura após algum tempo.

A transferência de calor por convecção se dá quando um corpo aquecido é imerso num fluído que pode ser a água ou o ar, por exemplo. O corpo aquece o fluído ao seu redor, por condução. É o movimento do fluído, desigualmente aquecido, que gera as correntes de convecção. A convecção é a origem dos ventos na atmosfera terrestre, aquecida desigualmente pelo sol.

Termo-Sifão

O sistema mais simples e seguro de aproveitar a energia solar, para aquecimento de água, é o termo-sifão. Ele combina um coletor plano com uma caixa d´água isolada e montada em plano mais alto que o do coletor. A água fria, que vem da caixa, desloca, por convecção, a água aquecida pelo sol que está no interior dos canos colocados sobre o coletor.

Quanto melhor for o isolamento do coletor e da caixa d´água em relação ao meio-ambiente, maior a eficiência do sistema. Isolantes térmicos como a casca de arroz, capim ou grama seca, etc, podem ser usados com bons resultados (por exemplo).

Para aquecer grandes quantidades de água, é só instalar diversos coletores em paralelo.

O termo-sifão é usado em várias partes do mundo como aquecedor de água para residências, hotéis e hospitais.

Secagem de Produtos Agrícolas.

Consideramos, primeiramente, o uso de energia solar na secagem das frutas.

A secagem das colheitas por exposição solar direta, embora sendo muito utilizado, requer que sejam satisfeitas algumas condições:

1. Suficiente radiação solar;

2. Baixa porcentagem de umidade ambiental;

3. Ataque limitado de agentes externos: insetos, pássaros, roedores, pó, etc.

Cada um desses fatores incide com maior ou menor peso, segundo o produto que se pretende secar.

Podemos distinguir três tipos de secadores solares:

1. Modelo de Absorção: onde o produto é diretamente aquecido pelo sol;

2. Secador indireto ou por convecção: o produto é exposto a uma corrente de ar aquecida por um coletor solar;

3. Secador Combinado: o produto é exposto ao efeito combinado da radiação direta e de uma corrente pré-aquecida de ar.

Na secagem de grãos, é conveniente que ela seja feita em grande quantidade, pois contrariamente às frutas, que são colhidos em fazendas e acumulam-se durante a colheita em grandes volumes. A idéia é usar silos secadores armazenadores, acoplados e aquecedores solares planos. O ar aquecido é bombeado no interior do silo por ventiladores, já que o simples uso da convecção do ar não é eficiente. Dois são os modelos; (1º) com circulação vertical do ar aquecido, e (2º) com ciculação radial.

O vapor d´água, quando atinge uma placa fria, condensa-se. O fenômeno de condensação com o auxílio do Sol é usado para a obtenção de água purificada de águas barrentas ou mesmo salmoura. Assim, de águas imprestáveis para beber, pode-se obter água potável. O dispositivo é muito simples, porém o custo por litro d´água é elevado e sua aplicação no Brasil fica bastante restrita.

A instalação de destiladores d´água solares requer um investimento inicial de capital apreciável. A produção d´água depende das condições sazonais e climáticas do local da instalação. Um dado típico, para um dia de verão com céu limpo, é de 4 litros por metro quadrado de instalação. Salvo circunstâncias de inexistência de água potável e o alto custo de transporte d´água, a construção de destiladores solares torna-se proibitiva.

Disgestores

Resíduos orgânicos como lixo, esterco, restos de plantas, etc., acumulados e deixados em repouso, produzem gás. Esse gás (metano) pode ser utilizado como combustível, para os mais diversos fins, como cozinhar, iluminar, gerar energia mecânica e elétrica. O esgoto doméstico, associado com lodo, pode também ser "tratado", para diminuir a concentração de microorganismos causadores de doenças, e produzir gás e fertilizantes de excelentes qualidades.

O gás obtido numa estação de tratamento de lixo, é canalizado, por exemplo, daí para as casas. Trata-se, assim, de um método importante, tanto de higiene como para a produção de gás e fertilizantes.

O processo de digestão anaeróbica pode ser acelerado colocando-se o material orgânico (lixo, esterco, etc.) em recipientes fechados, denominados "digestores". O material resultante, já digerido, não produz gás e é uma pasta sem cheiro, rica em nitrogênio e humus, que pode ser utilizado como excelente fertilizante. Os digestores podem ser:

• Digestores contínuos

• Digestores não contínuos

Os digestores, transformam, assim o esterco de animais, restos de comida, grama, restos de vegetais, enfim, toda a matéria orgânica, em bom fertilizante, ao mesmo tempo que produzem e acumulam gás.

As chuvas, as nascentes, os rios, a umidade do ar, tudo isso faz parte do que se chama de ciclo hídrico da Terra, isto é, o movimento incessante da água, em suas diferentes formas (gelo, vapor, líquido), na crosta terrestre.

A energia que mantém o ciclo hídrico vem do Sol. Essa energia é usada para evaporar a água da superfície dos oceanos e, através dos ventos (que também dependem da energia solar), levar essa água, na forma de vapor, até pontos da superfície da Terra mais altos que o nível dos oceanos.

A energia dos cursos d´águas, aproveitada para mover as antigas rodas d´água, parece ter sido a primeira fonte natural de energia usada, extensivamente e de forma planejada, pelo homem.

Com o desenvolvimento tecnológico, surgiu a necessidade de se conseguir mais e mais potência, e as rodas d´água foram aumentando de tamanho e ficando pouco práticas. A turbina a vapor foi aos poucos substituindo as velhas rodas d´água. Até que, na metade do século XIX, houve, na França a descoberta revolucionária de um novo processo: as turbina d´água, superiores às rodas d´águas sob quase todos os pontos de vista. Muito mais eficientes porque menores, geram mais potência e podem ser usadas em condições de vazão d´água muito mais flexíveis. Além disso, giram mais rápido.

No fim do século XIX, já se viam muitas turbinas d´água em funcionamento, ligadas a geradores elétricos, com a finalidade principal de gerar eletricidade para iluminação.

Quando duas regiões vizinhas, na superfície da Terra, adquirem temperaturas diferentes, desenvolvem-se como conseqüência, uma diferença de pressão atmosférica entre elas, e para restabelecer o equilíbrio barométrico (isto é, o equilíbrio das pressões), venta. O vento é, por isso, um elemento estabilizador: ele tende a uniformizar a temperatura e pressão atmosféricas.

O vento é composto de partículas de ar em movimento, e é tanto mais forte quanto maior for a velocidade dessas partículas.

Como as diferenças de temperaturas da atmosfera são conseqüências diretas da radiação que o Sol nos envia, o vento também é uma utilização como fonte de energia, e a sua utilização como fonte de energia é classificada como uso indireto da energia solar.

Moinhos de Vento

Quando se observa uma queda d´água, é fácil perceber que a água flui continuamente, num vazão quase constante. Por isso, a energia gerada por quedas d´água é bastante uniforme, não variando muito de um momento para o outro.

Já o vento, tem um comportamento bem diferente: ele é bastante irregular. Em praticamente qualquer lugar da Terra, há momentos de muito vento, pouco vento e às vezes, nem ao menos venta.

Não se pode, portanto, pretender utilizar os ventos como fonte contínua de energia, diretamente. Para a melhor utilização, os captadores de energia eólica, devem estar ligados a reservatórios que acumulem e guardem essa energia gerada, liberando-a à medida que houver necessidade.

O homem aproveita a energia dos ventos, de diversas maneiras, a fim de melhorar sua condição de vida. Uma das maneiras tradicionais é o barco a vela, onde o vento é usado como força motriz da embarcação.

Barcos a vela ainda são de uso corrente mas, com o advento de novas formas de energia propulsora, não são mais competitivos para longas viagens e para o comércio de larga escala. Entretanto, pela facilidade de construção, baixo custo de fabricação e manutenção, continuam a ser empregados, em muitas regiões, para pesca e serviços diversos.

O homem encontrou outro modo, também conhecido há muito tempo de aproveitar a energia dos ventos para a execução de trabalhos mecânicos: o moinho de vento, ou modernamente, os cata-ventos.

O cata-vento transforma a energia dos ventos em energia de rotação das pás, e essa energia é transformada, por sua vez, de diversas maneiras, de acordo com os objetivos a serem atingidos.

Os cata-ventos são empregados como bombas d´água, como geradores de energia elétrica, como trituradores de grãos, como executores de serviços mecânicos em geral.

Nos dois primeiros casos, a irregularidade dos ventos é compensada pela existência de um armazenador de energia ligado ao sistema. No caso das bombas d´água, o armazenador é por exemplo, uma caixa d´água. Na geração de energia elétrica, baterias carregadas por geradores associados aos cata-ventos.

Compreende pesquisa e desenvolvimento de aplicações que absorvem a própria energia da radiação solar.

• Coletores

Componentes básicos dos sistemas que utilizam energia solar sob forma de calor. As metas das pesquisas nesta área são a otimização da geometria e a escolha dos materiais da superfície absorvedora, tendo em vista a matéria-prima nacional disponível e o custo do aparelho.

• Aquecedores de Água

Para uso doméstico ou industrial. Já há grande desenvolvimento destes aparelhos, a tecnologia é simples e o custo relativamente baixo, a nível de produção industrial.

• Destiladores

Para aproveitamento de águas salobras ou servidas. A tecnologia é disponível no exterior; o trabalho maior das entidades de pesquisas nesta linha, tem sido a construção de protótipos para testes de matéria-prima.

• Refrigeradores

Para a produção de gelo ou condicionamento de ambientes, através de um ciclo termodinâmico que utiliza como fonte a energia solar. Os projetos desenvolvidos nesta linha, já tem como resultado dois protótipos para a produção de gelo e outro para preservação de alimentos em câmaras refrigerantes, ambas a ciclo intermitente. Uma aplicação interessante, em futuro próximo, será o abastecimento de gelo à comunidade do litoral brasileiro que se dedicam à pesca, as quais obtêm atualmente aquele produto a custo elevado. Outra aplicação de interesse nacional é a preservação por longos períodos de produtos agrícolas semi - perecíveis de colheita sazonal, o que possibilitaria estocagem e distribuição mais uniforme aos centros de consumo.

Para desidratação de grão, frutas, madeiras, forragens, etc., o que possibilita a preservação desses produtos por dificultar a ação de micro - organismos. Conforme o tipo de secador e de produto a ser seco, este recebe diretamente a radiação solar ou é colocado em uma corrente de ar e desumidificado às custas de energia solar.

• Máquinas Térmicas

Genericamente consideradas, aproveitam energia térmica, no caso de origem solar para a produção de energia mecânica.

• Arquitetura Solar

Designa genericamente aplicações racionais de energia solar e das características do meio - ambiente para a melhoria das condições de conforto das habitações.

• Armazenamento Térmico

Através de processos físicos reversíveis que envolvam trocas de calor. A finalidade é contornar o problema de intermitência natural na entrada da energia solar em um sistema, quando a demanda de energia térmica for contínua.

Costuma-se classificar como uso indireto da energia solar, o aproveitamento do movimento dos ventos, de gradientes térmicos de camadas da crosta terrestre ou do mar e da matéria orgânica de origem vegetal para a produção de energia. Assim, a Bioconversão está enquadrada dentro do uso indireto da energia solar.

Obtida através de rotores que, acionados pelo vento realizam trabalho útil, principalmente o bombeamento de água e a geração de energia elétrica.

Observação

O sucesso industrial dos vários projetos em desenvolvimento depende em grande parte do conhecimento preciso da quantidade de radiação incidente sobre as diversas regiões do País. Alguns aparelhos já foram instalados e encontram-se em funcionamento na Região Amazônica.

Só há uma necessidade humana imprescindível: a energia.

O próprio processo de aperfeiçoamento da sociedade é uma questão de otimização da geração e utilização da energia.

A energia é dada como fenômeno dinâmico, e só a ecologia permite o estudo apropriado dos intercâmbios de energia nos ecossistemas.

Deve-se buscar a energia não onde ela é cara, em tempo e trabalho, mas sim onde é mais abundante. O Sol nos fornece esta energia, sob várias formas; o vento, a água, as plantas, o calor e a luz. Trata-se de imensas quantidades de energia, que não notamos muito diretamente, por estarem muito difusas por todo o planeta, não só quanto à área total do planeta, mas também pela diversidade das formas pelas quais se manifesta.

A perspectiva de converter energia solar em grande escala parece ser o sonho de um ecólogo, incompatível com as necessidades de uma economia moderna. No entanto, até épocas comparativamente recentes, o homem dependia inteiramente do Sol para as suas necessidades energéticas.

Hoje, o homem conscientizou-se (em termos) dos crecentes perigos da poluição e da limitação do suprimento de seus atuais recursos energéticos. A assim chamada crise da energia de 1973/74 achatou a curva da taxa do crescimento econômico em muitos países, mas a febre do combustível foi apenas moderada, mas não curada. Não pode haver muita dúvida de que o combustível convencional se tornará escasso e caro por volta do fim deste século; portanto, dever-se-ia tirar vantagem do tempo remanescente para desenvolver sistemas de energia solar a um nível econômico no qual poderiam assumir ao menos parte da demanda mundial de energia.

A crescente demanda de energia em todo mundo propiciou que grande importância fosse associada à exploração de novas fontes de energia; dentre as fontes não convencionais que foram estudadas, a energia solar agora oferece muitas promessas.

Há uma necessidade social, especialmente nos países em desenvolvimento, de técnicas que permitam a produção descentralizada de energia em comunidades pequenas e dispersas; a energia solar presta-se bem à produção em pequena escala em áreas remotas, e as bombas solares já podem ser vistas funcionando confiavelmente em muitos países em desenvolvimento.

A Evolução da Demanda de Energia

Há apenas duzentos anos, o homem derivava seus recursos energéticos quase exclusivamente do sol. Naquela época, a madeira era de uso geral para aquecimento, e os animais eram usados para o transporte. Ambas energias proporcionadas – direta ou indiretamente – pela fotossíntese, o processo pelo qual as plantas podem utilizar parte da energia do Sol para converter o dióxido de carbono em substâncias combustíveis e alimento. Outras formas de energia derivada do Sol eram a do vento e a da água, suas aplicações mais conhecidas sendo moinhos de vento e rodas d’água. Mas foi a partir do século XIX que começou a substituição maciça da energia solar pelos recursos fósseis, e esta prática foi depois se intensificando.

Finalmente, o homem descobriu a energia nuclear. Os primeiros estudos sobre materiais radioativos foram iniciados na França e na Alemanha, no fim do século passado. Mas foi só em 1938 que Hahn, na Alemanha, conseguiu a primeira fissão artificial de átomos de urânio; em 1942, Fermi construiu o primeiro reator atômico, em Chicago. A despeito das primeiras esperanças de rápido desenvolvimento, esta fonte de energia ocupa apenas fração mínima do quadro energético atual.

Uma transformação irreversível ocorreu, e não pode haver dúvida que dirigir a energia solar para as necessidades futuras requer, em primeiro lugar, principalmente, um difícil trabalho de desenvolvimento técnico e um grande esforço industrial. Qualquer coisa inferior nos levaria de volta a uma civilização primitiva.

A I Guerra Mundial interrompeu brusca, mas temporariamente, as primeiras tentativas clarividentes no domínio da utilização da energia nuclear.

Conservação de Energia

Durante o longo período de energia barata que se encerrou com o aumento do preço do petróleo de 1973, o desperdício de energia podia ser tolerado, pelo menos do ponto de vista puramente econômico. Mas agora que o custo da energia está crescendo e em muitos países onde frações crescentes da demanda devem ser satisfeitas por importações, há uma consciência geral de que, juntamente com o recurso a novas fontes dos próprios países – e a energia solar é uma delas – há uma premente necessidade de economizar energia.

No passado, o progresso técnico era baseado no uso de combustíveis não - renováveis, principalmente o petróleo, cujas reservas se acumularam por cerca de 70 milhões de anos, mas serão exauridas num futuro previsível, isto é, dentro de uma ou duas gerações a partir de agora, às atuais taxas de crescimento. A energia solar é renovável, porque o Sol é um enorme "reator de fusão", com tamanha quantidade de hidrogênio gasoso para combustão, que uma emissão constante de energia para a superfície da Terra está garantida por milhões de anos, ainda. A radiação solar recebida é absorvida por vários processos diferentes. Parte dela é absorvida pelas plantas verdes para o crescimento da matéria orgânica. Parte da energia absorvida pela atmosfera e pela superfície da Terra é convertida em vento, porque a taxa de aquecimento não é homogênea por todo o globo. Uma outra parte provê energia para a evaporação da água que subseqüentemente retorna à Terra como precipitação e assim dá a energia dos cursos d’água. Apenas uma pequena fração desta pode ser explorada sob a forma de hidroeletricidade, quando se pode dispor de um local adequado para uma represa. O remanesceste da radiação solar absorvida vai para o aquecimento das massas de terra e água. A energia disponível sob a forma de energia solar é homogeneamente distribuída. Assim, cada país "possui" um potencial energético maior do que jamais necessitaria, anualmente renovado pelo Sol, mas só os países que implementarem o necessário esforço de desenvolvimento para a tecnologia da transformação da energia solar, colherão os benefícios.

Certamente haverá energia bastante para o futuro, mas a maioria das fontes inexploradas tais como o óleo e o gás sintético, o xisto, energia nuclear e solar, precisa de mais aperfeiçoamento. Como os recursos aparentavam ser virtualmente ilimitados, o desenvolvimento de novas técnicas, bem como do consumo de energia, continuaram sem planejamento a longo, longo prazo.

Há numerosas razões para crer que o bem-estar das gerações vindouras estará ameaçado, a menos que diretrizes de longo alcance para o desenvolvimento e consumo energéticos, incluindo as atuais fontes não - convencionais de energia, sejam ora estabelecidas e universalmente aceitas.

Será difícil achar substituto para o petróleo na química industrial, para o transporte, etc. A produção de óleo sintético do xisto, alcatrão ou carvão, exigirá grandes investimentos para seu desenvolvimento.

Os reatores nucleares produzem um lixo radioativo que permanece perigoso para as formas de vida durante seu tempo de decaimento, de mais de cem mil anos. Ainda não foram encontradas técnicas para tornar este lixo inofensivo. A nossa presente raça de Homo Sapiens apareceu há 100.000 anos; se o primeiro homem da Terra tivesse construído um reator nuclear, o lixo radioativo produzido por sua instalação ainda hoje seria perigoso.

A urgência da necessidade de estudar as perspectivas a longo prazo é aumentada pelo fato de que muita tecnologia nova deve ser desenvolvida.

Um país deve promover seus recursos energéticos próprios, mesmo quando parecem mais dispendiosos que o combustível importado. Há duas razões principais para isto. Primeiro, a energia é um item básico da economia, e o escoamento de divisas poderia atingir um nível excessivo e abalar a balança de pagamento se a fração de energia importada se tornasse demasiado grande. Por razões óbvias, a utilização de energia solar seria a solução quase ideal para o futuro, em vista destas exigências, como a vegetação natural e solo descoberto tem uma absorção maior da radiação solar (as florestas absorvem 95%, as estradas 65% da radiação solar), do que neve fresca (absorvimento de cerca de 10%), a quantidade de radiação solar absorvida numa grande área poderia aumentar substancialmente. Assim, a temperatura aumentaria ainda mais até que um novo equilíbrio fosse atingido. Atualmente estima-se que em média a superfície da Terra esteja sendo aquecida de uns 0,01ºC pela atividade humana. (previsão otimista).

Um estudo sobre as tendências da radiação solar direta recebida do solo em dias sem nuvens sugere: longe das fontes humanas de poluição, em locais como Mauna Loa (Havaí) e Valentia (Irlanda), não tem havido tendência detectável nos últimos 15 anos, aproximadamente. Mas, em amplas áreas do hemisfério norte, dentro e na direção dos ventos que passam por regiões industrializadas que soltam partículas no ar, tem havido reduções nas radiação solar direta ao longo do tempo, que chegaram a uns poucos por cento.

Só há uma maneira de diminuir os vários tipos de poluição acarretados pelo consumo humano de energia em grande escala: o uso direto da energia que domina o clima da Terra. Pode-se produzir energia útil a partir da radiação solar de tal modo que nenhuma poluição térmica ou química seja causada.

A Radiação – Matéria Prima da Energia Solar.

Os dados da radiação solar são normalmente fornecidos pelos serviços meteorológicos, que são de alta precisão. A radiação solar global é registrada por um piranômetro, que recebe a energia solar de todo o hemisfério celeste, isto é, de horizonte a horizonte, em todas as direções.

A radiação solar absorvida pelas plantas no decurso do processo da fotossíntese é parcialmente convertida em biomassa, que é, então, uma forma de energia solar. A biomassa é muito semelhante aos combustíveis fósseis; é de fácil armazenamento e transporte. É uma vantagem que nem sempre as outras formas de energia solar apresentam: hidráulica, eólica, captadores térmicos, fotovoltaicos, etc.

A energia solar é também absorvida pelo solo, pelo mar e pelo ar, onde permanece armazenada parcialmente sob a forma de energia mecânica (potencial ou cinética) e sob a forma de energia térmica. O vento representa um potencial energético importante, que equilibra parcialmente a radiação solar direta, particularmente no inverno.

A luz solar provoca a evaporação da água, que quando precipitada da terra a grande altitude, tem uma energia potencial superior à anterior; no caminho de volta para o mar, esta energia potencial é convertida em energia cinética primária, ou mecânica, sendo o calor apenas um efeito secundário. O vento é causado basicamente por gradientes horizontais de intercepção de energia solar, levando a um movimento vertical de ar quente nos lugares quentes, e um fluxo de ar frio para substituí-lo.

Os combustíveis fósseis e os produtos de fotossíntese, em contraste, são formas químicas de energia. Diversamente da água e do vento, que são usados como energia mecânica de alta qualidade, a energia química é normalmente transformada em calor, que é a forma mais baixa de energia.

A energia solar já contribui amplamente no consumo energético mundial, sob a forma de energia hidráulica, ou de biomassa. A contribuição da hidroeletricidade representa cerca de 6% do consumo total, se considerada 1Kwh elétrico igual a 1 Kwh térmico e mesmo 13%, se considerada 2,6 Kwh térmicos para produzir 1 Kwh elétrico. De 5 a 6% de toda a energia consumida derivam da lenha, excremento de gado e detritos agrícolas. Para cerca de 1/3 da humanidade, a energia solar sob a forma de biomassa representa hoje a única fonte de energia. Assim são consumidos, nos países em desenvolvimento, cerca de 1,2 bilhões de m³ de lenha por ano, mais 20% de seu equivalente em energia sob a forma de excremento e detritos agrícolas. Isto corresponde praticamente ao dobro de todo o consumo energético da França, e a ¼ das necessidades desses países em vias de desenvolvimento.

A água e o ar também oferecem possibilidades interessantes para o armazenamento de energia. A luz solar (fótons) e a eletricidade (elétrons em movimento) são fenômenos dinâmicos que não podem ser armazenados diretamente. Precisam primeiro serem convertidos em outra forma de energia, por exemplo, recarregando baterias químicas, ou produzindo hidrogênio gasoso armazenável, etc.; ou energia mecânica. A água e o ar conseguem armazenar energia solar na forma de água corrente, represando rios, e o armazenamento de eletricidade, bombeando água de um reservatório inferior para um reservatório superior.

O Sol, Energia de Amanhã: Meios e Perspectivas.

Já se procura examinar as formas sob as quais a energia solar será utilizada futuramente; a saber, a biomassa para fins energéticos, os aquecedores solares, as caldeiras solares e outros sistemas para a indústria, a eletricidade solar de tipo fotovoltaica ou termodinâmica, a hidráulica clássica ou a micro - hidráulica e, por fim, uma melhor concepção do habitat em seu ambiente.

A importância que a energia solar assumirá através destas formas depende, evidentemente, de numerosos fatores difíceis de prever: a evolução geral da situação energética do mundo, possibilidades de armazenagem e controle, reestruturação das necessidades energéticas no país, vontade política de desenvolvimento da energia solar e sucesso dos projetos empreendidos.

Em resumo, pode-se pensar que a contribuição real da energia solar poderia atingir cerca de 50%. Esta porcentagem representa uma espécie de limite razoável, mas em nenhum caso realizável até o fim do século, quaisquer que sejam as hipóteses consideradas.

Prevê-se que, para este começo de século (de 2000 em diante), uma fração de 10% já seria uma bela conquista.

Panorâmica dos Processos Potenciais de Conversão para a Geração de Eletricidade Solar.

A conversão direta da radiação solar é melhor conseguida por fotocélulas que, em resultado de sua importância como fonte principal de energia para os engenhos especiais, já existem como dispositivos de alto desempenho.

As células fotogalvânicas operam pelo mesmo princípio físico que as fotocélulas convencionais. Recentemente renovou-se o interesse por elas porque, em adição a seu potencial para a geração de energia elétrica, também podem ser aplicadas à fotólise da água. Sua eficiência e estado de desenvolvimento, porém, é muito inferior ao das fotocélulas. Portanto, sua importância prática atual é marginal, e representam uma linha interessante para a pesquisa científica de base.

As fotoválvulas, em que elétrons são emitidos do cátodo, sob iluminação, também podem servir para gerar energia elétrica. As perspectivas para estes dispositivos são pobres, principalmente por causa de sua inconveniência.

A conversão indireta de radiação solar do calor pode ser conseguida combinando-se qualquer dos dispositivos coletores do calor com qualquer dos processos de conversão termodinâmica.

A conversão direta da luz solar em energia elétrica é conseguida por meio de baterias solares, constituídas de células solares, por um processo que é usualmente chamado efeito fotovoltaico. Este processo de conversão não depende do calor; pelo contrário o rendimento da célula solar cai quando sua temperatura sobe. Este comportamento é explicado pelo fato de que os fótons da luz solar transferem sua energia diretamente aos elétrons sem etapa térmica intermediária.

Consequentemente, as células solares não são apropriadas para regiões ensolaradas, mas também parecem promissoras para áreas em que outros tipos de sistemas de energia solar parecem sem perspectivas, notadamente naquelas partes da região equatorial e zonas temperadas, que sofrem de baixa insolação.

Atualmente, o silício é o mais importante material semicondutor para a conversão fotovoltaica da energia solar.

Desde o momento, há alguns anos, em que os geradores de eletricidade solar começaram a aparecer no mercado, tem havido uma considerável extensão de seu uso, principalmente como fonte de energia independente.

O atual volume do mercado pode ainda parecer pequeno – e certamente o é, quando constatado com a demanda global de energia – mas a pesquisa acelerará grandemente o progresso futuro neste campo.

O fim deste século será um período de tremenda intensificação da produção de eletricidade solar. A eletricidade solar terá se tornado um dos principais elementos na economia de muitos países.

Em particular, as nações industrializadas, conscientes da necessidade de recursos energéticos com baixa poluição, e ameaçadas por uma crescente dependência da energia importada e limitação dos recursos energéticos convencionais, começarão a apoiar-se, em parte, na energia solar.

Os países em desenvolvimento também poderão beneficiar-se extensamente com a futura implantação da conversão de energia solar. Isto não só porque muitos destes países tem elevada taxa de insolação: igualmente importante é o fato de que a energia solar torna economicamente exeqüível a construção de centrais geradoras locais de qualquer tamanho, o que favorece o desenvolvimento descentralizado, que é socialmente desejável em tais países, por permitir às populações rurais progredirem e evoluírem em seus habitats naturais.

As fontes convencionais de energia, centralizadas, em contraste, inevitavelmente levam à concentração da industria e da população nas cidades, com resultados desastrosos para a qualidade de vida. Especialmente nos países em desenvolvimento, a migração das populações rurais rumo às cidades é causa de convulsão social e cultural, que traz ao homem não – especializado do campo a uma existência miserável num bairro pobre da cidade, ao invés da vida mais rica que ele esperava. A mudança da vida rural é tão abrupta, a demanda de aptidão e especialização tão diferente, que o campônio só poderá juntar-se às fileiras dos trabalhadores mais mal pagos. Cresce a consciência de que o custo humano deste tipo de industrialização é demasiado alto.

Não se pode esperar progresso sem maior e mais racional uso da energia local. Isto é exemplificado pela agricultura nos países desenvolvidos, que consomem quantidades crescentes de energia para suas próprias necessidades, principalmente como resultado da mecanização e do uso de fertilizantes sintéticos.

Portanto, o sucesso do desenvolvimento descentralizado dependerá grandemente da disponibilidade de centrais geradoras independentes de porte médio e pequeno. O uso crescente da energia solar, e em particular, da eletricidade solar, facilitará a descentralização da industria e o desenvolvimento das áreas rurais, porque significa a independência do combustível estrangeiro e promete funcionamento confiável e duradouro.

Daqui a uns poucos anos, emergirão em grande escala, mais provavelmente lado a lado com as usinas convencionais, geradores solares de todos os tamanhos e níveis de potência. Os geradores fotovoltáicos se desenvolverão em paralelo com a conversão termodinâmica da energia solar.

Estas perspectivas muito favoráveis não deveriam ocultar os tremendos problemas do desenvolvimento da energia solar. Aqueles que pensam que a energia solar é grátis e facilmente acessível, estão errados. Hoje em dia, malgrado uma situação que não cessa de evoluir em seu favor, a energia solar ainda só é parcialmente competitiva com as fontes convencionais.

É razoável esperar, porém, que o tempo de aplicação da energia solar será mais curto e menos intenso em relação aos custos do que foi para a energia nuclear (por exemplo). A utilização da energia solar é talvez o maior desafio com que se defronta a humanidade. Uma vez atingido o sucesso, marcará um progresso histórico, porque a energia solar é não – poluente e inexaurível.

Solar eletricity. Copyright, 1981 by Hemus – Livraria Editora Ltda.