Radiação Solar

Introdução

A melhoria da qualidade de vida do ser humano está diretamente ligada à utilização de energia. Além disso, com a crescente demanda global por energia, associada à importância do impacto das políticas energéticas sobre a sociedade e o meio ambiente, reforça a necessidade cada vez maior de utilizar uma fonte de energia, que possa abastecer a humanidade de forma inesgotável, servindo de base para um desenvolvimento sustentável. Pouco se imaginava a utilização da energia solar para movimentar brinquedos, mas hoje em dia apesar da limitada capacidade de gerar energia a partir de painéis solares os brinquedos ganham uma fonte inesgotável de energia. Hoje no mercado já se encontram centenas de brinquedos com essa aplicação ecológica, uma vez que não utiliza de nenhuma fonte poluidora na produção de energia.

Objetivos

Atualmente existe uma verdadeira guerra por recursos naturais com o objetivo de utilizá-los como fonte primária na produção de energia elétrica. Rios são interrompidos para construção de barragens, o solo é revirado à procura de carvão e urânio é enriquecido com a incerteza acerca de seu armazenamento. Uma fonte interessante e de vida longa é o sol. Este trabalho tem o objetivo de abranger todo o ciclo de radiação que parte deste até o receptor posicionado na terra, que partir dali estudar os diferentes rumos dependendo da necessidade tendo como foco principal os brinquedos movidos à radiação solar.

A Radiação Solar

* A Origem da Radiação Solar

O sol é uma estrela de classe G[1] e pode ser encarado como um reator de fusão nuclear. Dessa fusão resulta, além de outras coisas, a radiação, sendo que apenas uma taxa pequena chega até a terra. O sol emite uma enorme quantidade de radiação: em torno de 72 milhões de watts por metro quadrado, numa esfera com 650.000 km de raio. A partir destes dados, pode-se encontrar a potência total de radiação emitida pelo sol:

Ptotal = Intensidade * Area = 72*106 * (4*π*R²) = 72*106 * (4*3,14*[650*10²]²) Ptotal = 4*1026 W/m²

Ao deslocar-se no espaço, com a velocidade da luz, essa energia deve repartir-se em esferas concêntricas de raio cada vez maior. Ao chegar à órbita terrestre (a 149,5 milhões de quilômetros do centro do Sol), ela caiu para 1367 W/m2 (0,0019% da inicial): Intensidade = Ptotal / Area = (4*1026) / (4*π*[149,5*109]²) Intensidade = 1367 W/m²

	 A radiação solar chega em todos os comprimentos de onda ou frequências, mas, principalmente, entre 200 e 3000 nanômetros (ou 0,2-3 mícron). O máximo de emissão se verifica no comprimento de onda de 0,48 mícron 

* A Terra e a Radiação

Ao chegar na atmosfera terrestre, a radiação interage com a matéria de várias maneiras diferentes. A atmosfera é composta por um grupo de gases com concentração praticamente constante e um grupo de gases com concentração variável. Praticamente 99% da atmosfera seca é constituída por N2 e O2. Os gases traço importantes para os processos radiativos na atmosfera, também denominados gases do efeito estufa, são o vapor d’água (H2O), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), ozônio (O3) e os clorofluorcarbonos (CFCs). A atmosfera também contém partículas sólidas e líquidas, que constituem os aerossóis atmosféricos, gotas d’água e cristais de gelo. As concentrações desses constituintes atmosféricos variam significativamente no espaço e no tempo. O espectro de absorção molecular é mais complexo do que o de um átomo porque as moléculas possuem várias formas de energia interna. Dessa forma, três tipos de espectros de absorção/emissão são possíveis: • Linhas bem definidas de largura finita; • Agregados (séries) de linhas denominados bandas espectrais; • Espectro contínuo que se estende por um intervalo largo de comprimento de onda. A estrutura da molécula é importante para compreender os vários tipos de energia interna. As moléculas podem ser lineares, isto é, os átomos estão arranjados em uma linha, tais como o CO2 e N2O. Há moléculas com simetria “esférica” como o CH4. Finalmente, há moléculas assimétricas como o H2O e O3. Em geral, a energia total U de uma molécula pode ser resultante da soma dos seguintes tipos de energia:

Utotal = Urotação + Uvibração + Ueletrônica + Utranslação

Urotação é a energia cinética de rotação. A radiação com energia da mesma ordem de grandeza desse tipo de energia interna se encontra na região espectral do infravermelho longínquo e microondas (ν ~ 1 a 500 cm-1 ou λ ~ 10³ a 105 μm). Isso significa que, ao absorver radiação cujo comprimento de onda se encontra nessa faixa espectral, a molécula adquire energia interna suficiente para sofrer rotação sobre um eixo que passa pelo seu centro de gravidade. Uvibração é a energia cinética de vibração. Os átomos das moléculas são ligados por certas forças que os permitem oscilar ou vibrar sobre suas posições de equilíbrio ao sofrer perturbação. Por exemplo, ao absorver radiação com número de onda na região espectral do infravermelho (ν ~500 a 104 cm-1 ou λ ~2 a 100 μm). Ueletrônica é a energia eletrônica, isto é, a energia potencial envolvida nas transições eletrônicas. A radiação necessária para esse tipo de processo em uma molécula gasosa típica da atmosfera terrestre abrange a região espectral do ultravioleta e visível (ν ~104 a 105 cm-1 ou λ < 0,7 μm). Utranslação é a energia cinética de translação. Para temperaturas típicas da atmosfera, da ordem de 300K, a troca de energia cinética entre as moléculas durante as colisões envolve valores de energia equivalentes à radiação eletromagnética na região espectral do infravermelho térmico, com número de onda da ordem de 200 a 400 cm-1, isto é, da mesma ordem de grandeza da energia necessária para rotação de uma molécula. Portanto, vale a relação: Urotação < Utranslação < Uvibração < Ueletrônica, o que significa que a energia cinética de translação pode influenciar significativamente os níveis de rotação, moderadamente os níveis de translação e de forma não significativa os níveis eletrônicos. Os processos de rotação, vibração e transições eletrônicas das moléculas são eventos quantizados, de forma que Urotação, Uvibração e Ueletrônica são energias quantizadas, possuindo valores discretos governados por regras de seleção. Somente as moléculas que possuem momento de dipolo elétrico ou magnético permanente exibem transições radiativas de energia puramente rotacional. Lembrando que um dipolo é representado por centros de cargas positivas e negativas Q separados por uma distância d. O momento de dipolo associado a esses centros de cargas é igual a Qd. Se as cargas estão distribuídas simetricamente implica que não há momento de dipolo permanente e por isso não há atividade radiativa no infravermelho longínquo (não há transições em energia rotacional). Em outras palavras, moléculas cujos átomos são simetricamente são transparentes para radiação infravermelha longínqua. O CO2, por exemplo, não possui momento de dipolo permanente e, portanto, não possui transição rotacional pura e por isso não apresenta linhas de absorção no infravermelho longínquo e microondas. Entretanto, como ele pode adquirir momento de dipolo oscilante em seus modos vibracionais, ele apresenta bandas de vibração-rotação. Moléculas como CO, H2O e O3 exibem espectros puramente rotacionais. As transições radiativas de energia vibracional requerem uma mudança no momento de dipolo (por exemplo, momentos oscilantes). Dessa forma, moléculas que não apresentam momento de dipolo permanente podem ser induzidas radiativamente a apresentar momento de dipolo. Como Uvibração > Urotação, as linhas espectrais relacionadas à vibração das moléculas apresentam outras linhas próximas devido à rotação, isto, é, há bandas de vibração-rotação. Pela simetria das moléculas de N2 e O2, elas não apresentam linhas de absorção por vibração e/ou rotação, embora sejam os gases mais abundantes da atmosfera. O ar puro (uma mistura de oxigênio e nitrogênio) não absorve radiação solar, mas é capaz de espalhar radiação com comprimentos de onda menores do que 1 mícron. Isso é explicado pela dispersão Rayleigh.

A dispersão de Rayleigh é uma boa aproximação da forma pela qual a luz é dispersada por partículas muito menores que seu comprimento de onda, já que ela foi desenvolvida antes da mecânica quântica. 

Quando a radiação eletromagnética atinge uma partícula, o vetor elétrico da onda de luz interage com os átomos nela contidos, retirando os elétrons da posição de equilíbrio, e induzindo à formação de um dipolo momentâneo, de magnitude determinada pela polarizabilidade α do material. A polarizabilidade de uma esfera, de índice de refração n e raio a é proporcional ao seu volume, sendo dada por:

Uma vez que a partícula é pequena, comparada ao comprimento da onda de luz, pode-se assumir que, em qualquer instante, toda a extensão da partícula está sujeita ao mesmo campo elétrico. O vetor elétrico da onda de luz flutua em magnitude com uma frequência ν, e devido a isto, o dipolo também irá flutuar, com a mesma frequência ν, embora não necessariamente em fase. Um dipolo flutuante emite energia continuamente, na forma de radiação eletromagnética de frequência ν, e assim ocorre o espalhamento de luz. Esse espalhamento verifica-se principalmente no espectro visível, e podemos observá-la a olho nu. A dispersão é mais acentuada para os menores comprimentos de onda. Se não houvesse atmosfera, o céu seria preto com um disco brilhante (o Sol) do qual receberíamos radiação direta. O ar captura uma parte dessa energia e a espalha, principalmente no azul; dessa forma, recebemos luz com esse comprimento de onda predominante como radiação difusa do céu, eis a razão de que ele seja azulado durante o período diurno. Como a densidade do ar diminui com a altitude, o céu torna-se gradualmente mais escuro até se tornar completamente negro no espaço nas direções opostas ao Sol, visto que quanto menor a densidade, menos espalhamento ocorre. O Sol possui aparência mais brilhante e esbranquiçada quanto mais elevado ele estiver no céu. Quanto mais próximo do horizonte estiver o Sol (nascer ou ocaso), a radiação solar atravessa uma camada mais espessa da atmosfera, havendo maior remoção de radiação do feixe solar direto, resultando na coloração avermelhada do Sol. Embora a radiação violeta (l ~ 0,405 μm) tenha comprimento de onda menor que a luz azul, o céu não é violeta porque há muito menos radiação solar disponível nessa faixa espectral. Além disso, o olho humano possui uma resposta muito menor à luz violeta. Conforme o tamanho das partículas aumenta, menor é a dependência espectral de suas propriedades ópticas. É por esse motivo que a presença de partículas de aerossol pouco absorvedoras de radiação visível torna o céu esbranquiçado e as nuvens apresentam cor branca. O espalhamento causado por uma partícula esférica de tamanho arbitrário foi descrito analiticamente por Mie em 1908, a partir das equações de Maxwell, deduzindo como ondas eletromagnéticas de comprimento de onda l são perturbadas ao interagem com esferas homogêneas de raio r. É utilizado para descrever a interação das partículas de aerossol e gotas de nuvens com a radiação eletromagnética, em particular, no espectro solar. A radiação que atinge e atravessa a partícula gera fenômenos distintos, genericamente denominados espalhamento: • Reflexão e refração: as ondas eletromagnéticas que atingem a superfície da partícula podem ser parcialmente refletidas e parcialmente refratadas. A distribuição angular da luz espalhada depende fortemente da forma (se esférica, cúbica), da composição química e das condições da superfície da partícula (homogênea ou rugosa). Na reflexão, a onda retorna ao meio com o mesmo ângulo da onda incidente com relação à normal à superfície da partícula. A refração é causada pela diferença entre os índices de refração do ar e da partícula. • Difração: desvio da direção retilínea da radiação eletromagnética ao interagir com um obstáculo (fenda ou partícula). O obstáculo atua como uma fonte de radiação. A radiação emergente, com o mesmo comprimento de onda da radiação incidente, pode interferir com esta construtivamente ou não, gerando as franjas de difração (os máximos são devidos à interferência construtiva e os mínimos à destrutiva). A distribuição angular da radiação espalhada depende apenas da forma e tamanho da partícula. Independe de sua composição química ou índice de refração. É responsável pelo espalhamento frontal (ângulos de espalhamento próximos de zero). Portanto, é responsável pela “deformação” ou anisotropia do padrão angular de espalhamento que aumenta à medida que o tamanho da partícula aumenta. Na terra, a radiação: • 30% é reflectida para o espaço, pela atmosfera (24%) e pela superfície (6%); • 26% é absorvida pelos gases da atmosfera; • 44% é absorvida pela superfície (solo e água) A intensidade da radiação solar fora da atmosfera depende da distância entre o Sol e a Terra. Durante o decorrer do ano, pode variar entre 1,47 x 108 km e 1,52 x 108 km. Devido a este fator, a irradiância E0 varia entre 1.325 W/m2 e 1.412 W/m2. O valor médio é designado por constante solar, EO = 1.367 W/m². No entanto, apenas uma parte da quantidade total da radiação solar atinge a superfície terrestre. A atmosfera reduz a radiação solar através da reflexão, absorção (ozônio, vapor de água, oxigênio, dióxido de carbono) e dispersão (partículas de pó, poluição). O nível de irradiância na Terra atinge um total aproximado de 1.000 W/m2 ao meio-dia, em boas condições climáticas, independentemente da localização. Ao adicionar a quantidade total da radiação solar que incide na superfície terrestre durante o período de um ano, obtém-se a irradiação global anual, medida em kWh/m2. Este parâmetro varia de um modo significativo com as regiões.

* O uso da radiação como fonte de energia renovável

A reflexão é maior e a absorção é menor quando a atmosfera tem nuvens. A luz solar que atinge a superfície terrestre é composta por uma fração direta e por uma fração difusa. A radiação direta vem segundo a direção do Sol, produzindo sombras bem definidas em qualquer objeto. Por outro lado, a radiação difusa carece de direção específica.

O conhecimento exato da localização do Sol é necessário para determinar os dados de radiação e a energia produzida pelas instalações solares. A localização do Sol pode ser definida em qualquer local, pela sua altura e pelo seu azimute. No campo da energia solar, o Sul é referido geralmente como α = 0°. O símbolo negativo é atribuído aos ângulos orientados a Leste (Leste: α = - 90°) e o símbolo positivo aos ângulos orientados a Oeste (Oeste: α = 90°).

A irradiância solar depende da altura do Sol (= 􀁊 s). Esta é calculada a partir de uma base horizontal. Devido à trajetória do Sol, a altura do Sol muda durante o dia e também durante o ano. A luz solar toma o percurso mais curto através da atmosfera, quando a posição do Sol é perpendicular à superfície da Terra. Se o ângulo de incidência solar é mais baixo, o percurso através da atmosfera é mais longo. Nesta segunda posição, leva a uma maior absorção e difusão da radiação solar, o que implica uma menor irradiância. A Massa de Ar (fator AM) indica um múltiplo do percurso da radiação solar na atmosfera para um local preciso, num determinado momento. A relação entre a posição do Sol (γs) e a Massa de Ar, é definida do seguinte modo:

AM = 1 / sin γs

Neste contexto, AM = 1 quando a posição do Sol é perpendicular (γs = 90°). Isto corresponde à posição solar no equador ao meio dia, no início da Primavera ou do Outono. No seu percurso através da atmosfera, a irradiância é reduzida por: • Reflexão atmosférica; • Absorção pelas moléculas da atmosfera (03, H20, 02, CO2); • Dispersão de Rayleigh (dispersão molecular); • Dispersão de Mie (dispersão por partículas de pó e poluição do ar). A tabela que se segue mostra a dependência da irradiância com a altura do Sol (γs). A absorção e a dispersão de Rayleigh aumentam com a diminuição da altura solar. A dispersão devida à poluição do ar (difusão de Mie) varia consideravelmente conforme a sua localização, sendo maior nas áreas industriais. Influências climáticas locais como as nuvens, a chuva ou a neve, levam a uma maior redução da radiação.

γs AM Absorção Dispersão de Rayleigh Difusão de Mie Redução total 90º 1,00 8,7 9,4 0... 25,6% 17,3... 38,4% 60º 1,15 9,2 10,3 0,7... 29,5% 19,4... 42,8% 30º 2,00 11,2 16,5 4,1... 44,9 28,8... 59,1% 10º 5,76 16,2 31,9 15,4... 74,3% 51,8... 85,4% 5º 11,5 19,5 42,5 24,6... 86,5% 65,1... 93,8%

Transformação de Energia

* A radiação Solar Aplicada à Transformação de Energia

Quase todas as fontes de energia – hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar. Além disso, a radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica. Pode ainda ser convertida diretamente em energia elétrica, por meio de efeitos sobre determinados materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico e o fotovoltaico. O aproveitamento da iluminação natural e do calor para aquecimento de ambientes, denominado aquecimento solar passivo, decorre da penetração ou absorção da radiação solar nas edificações, reduzindo-se, com isso, as necessidades de iluminação e aquecimento. Assim, um melhor aproveitamento da radiação solar pode ser feito com o auxílio de técnicas mais sofisticadas de arquitetura e construção. O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores ou concentradores solares. Os coletores solares são mais usados em aplicações residenciais e comerciais (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc.) para o aquecimento de água (higiene pessoal e lavagem de utensílios e ambientes). Os concentradores solares destinam-se a aplicações que requerem temperaturas mais elevadas, como a secagem de grãos e a produção de vapor. Neste último caso, pode-se gerar energia mecânica com o auxílio de uma turbina a vapor, e, posteriormente, eletricidade, por meio de um gerador. A conversão direta da energia solar em energia elétrica ocorre pelos efeitos da radiação (calor e luz) sobre determinados materiais, particularmente os semicondutores. Entre esses, destacam-se os efeitos termoelétrico e fotovoltaico. O primeiro caracteriza-se pelo surgimento de uma diferença de potencial, provocada pela junção de dois metais, em condições específicas. No segundo, os fótons contidos na luz solar são convertidos em energia elétrica, por meio do uso de células solares. Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados atualmente são o aquecimento de água e a geração fotovoltaica de energia elétrica. No Brasil, o primeiro é mais encontrado nas regiões Sul e Sudeste, devido a características climáticas e o segundo, nas regiões Norte e Nordeste, em comunidades isoladas da rede de energia elétrica. Os coletores solares são aquecedores de fluidos (líquidos ou gasosos) e são classificados em coletores concentradores e coletores planos em função da existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar. O fluido aquecido é mantido em reservatórios termicamente isolados até o seu uso final (água aquecida para banho, ar quente para secagem de grãos, gases para acionamento de turbinas, etc.). O funcionamento do coletor solar plano baseia-se na absorção da radiação solar de ondas curtas pela chapa preta absorvedora, energia essa transformada em calor que, pelo efeito estufa, é aprisionada no interior do coletor e transferida ao fluido. Os vitrais colocados sobre as aletas absorvedoras servem tanto para impedir a saída da radiação infravermelha de ondas curtas, produzindo o efeito estufa e proporcionando um aumento da eficiência da conversão.