Conversão De Energia Solar - Materiais, Métodos E Aplicações

De Jideon F Marques

No cenário atual, a geração de energia sustentável é uma demanda fundamental para atender às nossas necessidades energéticas do dia a dia. Para suprir a demanda de energia, a geração de energia por meio da energia solar está em alta. Muitos trabalhos de pesquisa foram tentados para aumentar a eficiência de coleta e armazenamento de energia solar e, como resultado, vários novos materiais foram desenvolvidos para melhorar o desempenho das células solares. Este livro compilou e explorou amplamente os mais recentes desenvolvimentos de materiais, métodos e aplicações da energia solar. O livro está dividido em 2 partes, em que a primeira parte trata dos fundamentos da célula solar e das categorias emergentes e a última trata dos materiais, métodos e aplicações para preencher a lacuna entre as tecnologias existentes e os requisitos práticos para pesquisadores industriais e acadêmicos. O livro apresenta capítulos detalhados, incluindo materiais de revestimento e coletores orgânicos, inorgânicos. Ele fornece a profissionais e alunos um recurso inestimável sobre os princípios básicos e aplicações de materiais de energia solar e seus processos.

• Idioma: Português
• Editora: Clube de Autores
• Data de lançamento: 11 de set. de 2023

Pré-visualização do livro

Materiais para conversão

de energia solar

Materiais, Métodos e Aplicações

Editado por

Jideon Marques

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Conteúdo

Prefácio

xv

Parte 1: Células solares - fundamentos e emergentes

Categorias

1

1 Introdução à conversão de energia solar

3

Manivannan Rajendran, Moganapriya Chinnasamy,

Suresh Muthusamy e Manikandan Kumaran Nair

1.1 Introdução

3

1.2 Formas de Energia

5

1.3 Radiação solar

6

1.4 Princípios de transferência de calor

7

1.4.1 Condução

7

1.4.2 Convecção

7

1.4.3 Radiação

7

1.5 Leis Básicas da Radiação

8

1.5.1 Stefan-Boltzmann Lei

8

1.5.2 Lei de Planck

9

1.5.3 Lei de deslocamento de Wien

9

1.6 Conversão de energia solar

9

1.6.1 Fontes de energia renovável e não renovável

10

1.6.2 Diferencie entre renováveis e não renováveis Energia

Fontes

10

1.7 Sistema de conversão foto-térmica

11

1.7.1 Plano Coletor de placas

11

1.7.2 Evacuated Solar Colecionador

15

1.8 Aplicações Térmicas

15

1.8.1 Sistemas de aquecimento solar de água

17

1.8.2 Steam Generation

20

1.9 Secagem Solar

21

1.9.1 Métodos de Circulação Natural

23

v

vi Conteúdo

1.9.2

Sistemas de Circulação Forçada

25

1.10 Conversão Fotovoltaica

25

1.10.1 Efeito Fotovoltaico

26

1.10.2 Formulários

27

1.11 Sistemas Térmicos Fotovoltaicos

27

1.12 Conclusão

28

Referências

28

2 Desenvolvimento de células solares

33

Mohan Kumar Anand Raj, Rajasekar Rathanasamy e

Moganapriya Chinnasamy

Abreviações

33

2.1 Introdução

34

2.2 Células PV de primeira geração

34

2.2.1 Células PV monocristalinas

35

2.3 Segunda geração Tecnologia solar fotovoltaica

36

2.3.1 Célula fotovoltaica de silício amorfa

36

2.3.2 Célula fotovoltaica de telureto de cádmio

37

2.3.3 Células PV Cobre Índio Gálio Disseleneto

38

2.4 Células PV de terceira geração

38

2.4.1 Célula PV de sulfeto de estanho e zinco cobre

40

2.4.2 PV sensibilizado com corante Ccell

40

2.4.3 Orgânico Célula fotovoltaica

42

2.4.4 Células solares perovskita PV

43

2.4.5 Célula fotovoltaica de polímero

43

2.4.6 Quantum Dot Photovoltaic Cell

43

2.5 Conclusão

44

Referências

45

3 Reciclagem de painéis solares

47

Sathish Kumar Palaniappan, Moganapriya Chinnasamy,

Rajasekar Rathanasamy e Samir Kumar Pal

Abreviações

48

3.1 Introdução

49

3.2 PV e desenvolvimento de reciclagem em todo o mundo

52

3.2.1 Causas de incapacidade no painel fotovoltaico

54

3.3 Técnicas atuais de reciclagem e recuperação

55

3.3.1 Métodos para Reciclando

55

3.3.2 Fisica Separação

55

3.3.3 Tratamento Térmico e Químico

56

3.4 Estratégias para processos de reciclagem

63

3.5 Abordagens para reciclagem de painel solar

65

Contents vii

3.5.1 Reparo de componentes

66

3.5.2 Módulo Separação

66

3.5.3 Decomposição de Silício e Preciosas Industriais Minerais

de Módulos

68

3.6 Pesquisas globais em tecnologia de reciclagem de PV

71

3.7 Impactos Ecológicos e Econômicos

76

3.7.1 Fatores Evolucionários

77

3.7.2 Socio-econômico Preocupações

77

3.8 Conclusão

78

Referências

79

4 Células solares multi-junção

87

Mohanraj Thangamuthu, Tamilvanan Ayyasamy e

Santhosh Sivaraj

Abreviação

87

4.1 Introdução

88

4.1.1 Teoria de células de multi-junção

89

4.2 Questões-chave para Percebendo a eficiência dos MJCs

91

4.2.1 Preferência de materiais da camada superior e

aprimoramento

a qualidade

91

4.2.2 Junção de túnel de baixa perda para Intercell Conexão e

Prevenção de Difusão de Impureza de Túneis Junção 92

4.2.3 Lattice-Matching Entre Materiais e substratos celulares 92

4.2.4 Eficácia do campo de superfície traseiro de amplo bandgap

(BSF) Camada

92

4.3 Estrutura da célula de multi-junção

93

4.3.1 Célula de multi-junção com camada BSF

96

4.3.2 Otimização de camadas BSF

98

4.4 Novos materiais para células com múltiplas junções

98

4.5 Formulários

100

4.6 Conclusões

102

Referências

102

5 Células solares de perovskita

107

Santhosh Sivaraj, Rajasekar Rathanasamy,

Gobinath Velu Kaliyannan e Mugilan Thanigachalam

5.1 Introdução

108

5.2 Estrutura e Trabalho

112

5.3 Fabricação de célula solar de perovskita simples

115

5.4 Fabricação Métodos

117

5.4.1 Spin coating

122

viii Conteúdo

5.4.2 Revestimento de lâmina

122

5.4.3 Revestimento Slot-Die

122

5.4.4 Impressão a jato de tinta

123

5.4.5 Impressão de tela

123

5.4.6 Eletrodeposição

123

5.4.7 Deposição de fase de vapor

123

5.5 Estabilidade da célula solar perovskita

124

5.6 Perdas em células solares

124

5.7 Conclusão

126

Referências

127

6 Células solares sensibilizadas com corante natural

133

Viswapriya Shanmugam, Rajasekar Rathanasamy,

Saratha Raman e Abbas Ganesan

Abreviações

134

6.1 Introdução

134

6.2 Células solares sensibilizadas por corante (DSSCs)

135

6.2.1 A estrutura e Princípio de Operação

136

6.2.2 Parâmetros de Desempenho de DSSCs

137

6.2.2.1 Voltagem de circuito aberto

138

6.2.2.2 Corrente de curto-circuito

138

6.2.2.3 Fator de preenchimento

138

6.2.2.4 Eficiência

138

6.3 Corante (Fotossensibilizador)

138

6.3.1 Corantes Naturais

139

6.3.2 Pigmentos Vegetais

146

6.3.2.1 Antocianina

146

6.3.2.2 Clorofilas

147

6.3.2.3 Betalain

147

6.3.2.4 Carotenóides

147

6.3.3 Eficiência de fotoconversão de tinturas naturais

Empregados como sensibilizadores de tintura - estudos

notáveis

148

6.4 Conclusão

162

Referências

162

Parte 2: Materiais, Métodos e Aplicações

169

7 Materiais orgânicos e suas técnicas de processamento

171

Raja Gunasekaran, Gobinath Velu Kaliyannan,

Saravanakumar Jaganathan e Harikrishnakumar

Mohan Kumar

7.1 Introdução

172

Contents ix

7.2 Materiais orgânicos

173

7.2.1 Célula Solar Orgânica

174

7.2.2 Desafios em células solares orgânicas

174

7.2.3 Área de foco para superar os desafios

174

7.2.4 Operação de células solares orgânicas

174

7.2.5 Dispositivo de célula solar orgânico Arquitetura

176

7.2.5.1 Camada Única Ativa Device176

7.2.5.2 Camada Ativa Dupla Device176

7.2.5.3 Heterojunção em massa Fotovoltaico Cell177

7.3 Elétrico Características de OPVs

178

7.3.1 Voltagem de circuito aberto

178

7.3.2 Corrente de curto-circuito

179

7.3.3 Ponto Máximo de Potência

179

7.3.4 Fator de preenchimento

179

7.3.5 Eficiência de conversão de energia

179

7.3.6 Eficiência quântica

180

7.4 Materiais Potenciais para aplicativos OPV

180

7.4.1 Materiais doadores de elétrons

180

7.4.2 Materiais Aceitadores de Elétrons

183

7.5 Conclusão

184

Referências

185

8 Materiais inorgânicos e suas técnicas de processamento

189

Manivasakan Palanisamy, Gobinath Velu Kaliyannan e

Harikrishnakumar Mohan Kumar

8.1 Introdução

190

8.2 Materiais Inorgânicos Funcionais

191

8.3 Estratégia de processamento abrangente

192

8.4 Processamento de Fase Sólida

194

8.4.1 Método Cerâmico

194

8.4.2 Técnica de Microondas

195

8.4.3 Síntese de Combustão

196

8.4.4 Síntese Mecanoquímica

197

8.4.5 Redução Carbotérmica

198

8.4.6 Consolidação de Fricção

199

8.4.7 Técnica de impressão 3D

200

8.4.8 Técnica de nanolitografia

201

8.5 Processamento de fase de solução

202

8.5.1 Processo Sol-Gel

202

8.5.2 Processo Hidrotérmico e Solvotérmico

203

8.5.3 Síntese Sonoquímica

204

x Conteúdo

8.5.4 Técnica de revestimento de superfície

206

8.5.5 Técnica de pirólise de spray

207

8.5.6 Processo de Galvanoplastia e Eletrodeposição

208

8.5.7 Técnica de impressão líquida

209

8.5.8 Técnica de ablação a laser de fase líquida

210

8.5.9 Técnica de eletrofiação e eletropulverização

212

8.6 Processamento de fase gasosa

213

8.6.1 Técnica de Deposição de Vapor Físico

213

8.6.2 Deposição de vapor químico Técnica

215

8.6.3 Técnica de condensação de gás inerte

216

8.6.4 Molecular Técnica de epitaxia de feixe

218

8.6.5 Pirólise de spray de chama de fase gasosa

219

8.7 Desafios na produção e processamento de nanomateriais 221

8.8 Conclusão e Perspectivas

222

Referências

222

9 Materiais 2D para aplicações de células solares

227

Shrabani De, Sourav Acharya, Sumanta Sahoo,

Ashok Kumar Das e Ganesh Chandra Nayak

9.1 Introdução

228

9.2 Fundamental Princípios da célula solar

231

9.3 Métodos de Fabricação para a Geração da célula solar

234

9.3.1 Spin coating

234

9.3.2 Revestimento spray

237

9.3.3 Doutor Blading

238

9.3.4 Revestimento Slot-Die

238

9.3.5 Deposição de vácuo / química Deposição de Vapor 240

9.3.6 Impressão de tela

241

9.4 Introdução aos Materiais 2D

242

9.4.1 Grafeno

242

9.4.2 Nitreto de boro

244

9.4.3 Dissulfeto de molibdênio

244

9.4.4 MXenes

245

9.4.5 Outros materiais 2D

246

9.5 Aplicação de células solares de materiais 2D

246

9.5.1 Materiais 2D para células solares orgânicas

246

9.5.2 Materiais 2D para células solares de perovskita

249

9.5.3 Materiais 2D para células solares sensibilizadas por

corante (DSSCs)

251

9.5.4 Materiais 2D para outras células solares

255

9.6 Conclusões

256

Referências

257

10 Materiais nanoestruturados e suas técnicas de processamento

269

Tamilvanan Ayyasamy, Abubakkar Abdul Jaffar,

Selvakumar Pandiyaraj, Mohanraj Thangamuthu e

Thangavel Palaniappan

10.1 Introdução

269

10.2 A necessidade para energia solar

270

10.2.1 Célula Solar Fotovoltaica

271

10.2.2 Solar Térmico Aquecimento

272

10.3 Nanociência e Nanotecnologia

273

10.4 Nanotecnologia em Energia Solar

273

10.4.1 Nanomateriais

274

10.4.2 Propriedades dos nanomateriais

275

10.4.3 Nanofluidos

275

10.5 A Perspectiva dos Nanomateriais no Desempenho

de células solares

276

10.6 Nanomateriais de base fotovoltaica e síntese

Técnicas

277

10.6.1 Método Sol-Gel

278

10.6.2 Método Hidrotérmico

280

10.6.3 Técnica Solvotérmica

281

10.6.4 Co-precipitação Técnica

283

10.6.5 Magnetron Sputtering

284

10.6.6 Spin coating

286

10.6.7 Deposição de vapor químico Técnica

287

10.6.7.1

Vapor Químico de Pressão Atmosférica

Deposição Método

289

10.6.7.2

Deposição de vapor aprimorada por

plasma Método

290

10.7 Nanofluidos em Solar Colecionadores

290

10.8 Nanofluidos em Solar Stills

292

10.9 Conclusão

293

Referências

293

11 Materiais, métodos e técnicas de revestimento

299

Gobinath Velu Kaliyannan, Raja Gunasekaran,

Manju Sri Anbupalani e Sathish Kumar Palaniappan

11.1 Introdução

300

11.2 Filme Fino Técnicas de Deposição

301

11.2.1 Vantagens dos filmes finos

301

11.3 Filmes finos anti-reflexo

302

11.4 Métodos de crescimento de filme fino

303

11.4.1 Deposição física de vapor

304

11.4.2 Processo de Evaporação Térmica

304

11.4.3 Deposição de laser pulsado

304

11.4.4 Deposição de pulverização catódica

304

11.4.5 Deposição de vapor químico

305

11.4.6 Método CVD com Plasma Enhanced

305

11.4.7 Deposição Eletroquímica

305

11.4.8 Sol-Gel Formação de Filme Fino

306

11.5 Caracterização de Filme Fino

308

11.5.1 Difração de raios X

308

11.5.2 Espectroscopia de infravermelho com transformada de

Fourier

309

11.5.3 Termogravimetria e Térmica Diferencial

Análise

310

11.5.4 Espectroscopia UV-Visível

311

11.5.5 Emissão de campo Microscópio Eletrônico de

Varredura

312

11.5.6 Elétron de transmissão de alta resolução

Microscópio

314

11.5.7 Força atômica microscópica

314

11.5.8 Técnica de Quatro Sondas

317

11.6 Análise de desempenho de células solares revestidas com ARC

317

11.7 Conclusão

320

Referências

320

12 Revestimento anti-reflexo

323

Ragavendran Asokan, Rajasekar Rathanasamy,

Saravanakumar Jaganathan e Mohan Kumar Anand Raj

12.1 Introdução

324

12.2 Revestimento anti-reflexo

326

12.2.1 Tipos de revestimento anti-reflexo

329

12.2.2 Revestimento Texturizado

330

12.2.3 Revestimento anti-reflexo com autolimpante

331

12.3 Perspectivas sobre os materiais ARC

331

12.3.1 Material à base de silício

332

12.3.2 TiO -Material de base

332

2

12.3.3 Material à Base de Carbono

333

12.3.4 Material à base de gálio

333

12.3.5 Material à base de polímero

333

12.3.6 Material de base orgânica

334

12.4 Técnicas de revestimento ARC

334

12.4.1 Técnica Sol-Gel

334

12.4.1.1

Spin coating Técnica 334

12.4.1.2

Revestimento por imersão Técnica 335

12.4.1.3

Revestimento de menisco Técnica336

12.4.2 Deposição física de vapor

337

12.4.2.1

Evaporação Térmica Técnica 337

12.4.2.2

Feixe de elétron Técnica338

12.4.3 Sputtering RF e DC Magnetron Técnica

338

12.4.4 Deposição de vapor químico

339

12.4.5 Técnica de eletrofiação

339

12.4.6 Técnica de pirólise de spray

341

12.4.7 Litografia

341

12.4.8 Comparação de técnicas de revestimento

342

12.5 Estudos de Literatura: Impacto do ARC no desempenho

da célula solar

343

12.6 Conclusão

345

Referências

346

13 Armazenamento de energia térmica e suas aplicações

353

Veerakumar Chinnasamy, Sathish Kumar Palaniappan,

Mohan Kumar Anand Raj, Manivannan Rajendran e

Honghyun Cho

13.1 Introdução

354

13.2 Tipos de ES

354

13.2.1 Mecânico ES

354

13.2.1.1

Armazenamento de volante

355

13.2.1.2

Armazenamento de água bombeada

355

13.2.1.3

Armazenamento de ar comprimido

355

13.2.2 ES eletroquímica

355

13.2.3 Armazenamento de energia térmica

356

13.2.4 Vantagens do TES

356

13.3 Métodos de TES

357

13.3.1 Armazenamento de calor sensível

357

13.3.1.1

Propriedades dos materiais SHS

357

13.3.2 Armazenamento de calor latente

358

13.3.2.1

Propriedades de materiais LHS ou PCMs359

13.3.2.2

Classificação de PCMs

359

13.3.3 ES termoquímica

362

13.4 Aplicações de TES

362

13.4.1 Aplicativos SHS

362

13.4.1.1

Solar Pond

362

13.4.1.2

Aquecimento Solar de Água

363

13.4.1.3

Armazenamento em leito rochoso embalado

363

13.4.2 Aplicações de armazenamento de calor latente

365

13.4.2.1

Encapsulamento de PCM

365

13.4.2.2

Aquecedor solar de água com LHS

367

13.4.2.3

TES para aplicativos de construção

367

13.4.2.4

Numérico Estudos sobre TES

370

13.5 Conclusão

374

Referências

375

Índice

379

Prefácio

No cenário atual, a geração de energia sustentável é uma demanda fundamental para atender às nossas necessidades energéticas do dia a dia.

Para suprir a demanda de energia, a geração de energia por meio da energia solar está em alta. Muitos trabalhos de pesquisa foram tentados para aumentar a eficiência de coleta e armazenamento de energia solar e, como resultado, vários novos materiais foram desenvolvidos para melhorar o desempenho das células solares.

Este livro compilou e explorou amplamente os mais recentes desenvolvimentos de materiais, métodos e aplicações da energia solar. O

livro está dividido em 2 partes, em que a primeira parte trata dos fundamentos da célula solar e das categorias emergentes e a última trata dos materiais, métodos e aplicações para preencher a lacuna entre as tecnologias existentes e os requisitos práticos para pesquisadores industriais e acadêmicos. O livro apresenta capítulos detalhados, incluindo materiais de revestimento e coletores orgânicos, inorgânicos. Ele fornece a profissionais e alunos um recurso inestimável sobre os princípios básicos e aplicações de materiais de energia solar e seus processos.

Agradecemos a todos os autores por suas valiosas contribuições e contribuições de pesquisa. Nossos sinceros agradecimentos à equipe de publicação da Scrivener – Wiley por sua ajuda com este livro. Gostaríamos de agradecer ao Dr. P. Sathish Kumar por sua ajuda na revisão dos rascunhos iniciais dos capítulos do livro.

Parte

1

CÉLULAS SOLARES -

FUNDAMENTOS E

CATEGORIAS EMERGENTES

1

Introdução à conversão de energia solar Manivannan Rajendran1*, Moganapriya Chinnasamy1, Suresh Muthusamy2

e Manikandan Kumaran Nair1

1Departamento de Engenharia Mec â nica, Faculdade de Engenharia Kongu, Erode, Tamil Nadu, Í ndia

2Departamento de Eletr ô nica e Engenharia de Comunica çã o, Kongu Engineering College, Erode, Tamil Nadu, Í ndia

Resumo

Devido aos combustíveis fósseis inadequados em um mundo, há uma demanda cada vez maior para a utilização de seres humanos e os recursos de energia renovável sustentável desempenham um papel importante em países em desenvolvimento e não em desenvolvimento. No entanto, entre os inúmeros recursos energéticos, a energia solar é promissora devido ao fornecimento ilimitado e amigo do ambiente. Há uma experiência imensa no uso adequado da energia solar como um fator ambiental novo e não poluído. A energia de radiação solar ajuda principalmente na conversão na forma de energia elétrica e energia térmica. É um método alternativo para produzir eletricidade em uma ampla gama de fins industriais, bem como em alguns outros campos, como aplicações em construção, produtos de armazenamento de alimentos, fins agrícolas para operar bombas, motores, motores, e vários aparelhos industriais, como ventiladores e geladeiras. O presente estudo enfocou as várias formas de utilização da energia solar e em profundidade as aplicações térmicas, secagem solar e sistemas térmicos fotovoltaicos relacionados ao uso doméstico e industrial.

Palavras-chave: Coletores, sistemas de aquecimento, secagem solar, fotovoltaicos, sistemas PV / T

1.1 Introdução

O uso de energia desempenha um papel vital nas últimas décadas devido às rápidas mudanças nas condições ambientais, precisamente os efeitos do

aquecimento global que levam a

*Autor correspondente: [e-mail]

R. Rajasekar, C. Moganapriya e A. Mohankumar (eds.) Materiais para conversão de energia solar: Materiais, métodos e aplicações, (3-32) © 2022 Scrivener Publishing LLC

3

4 Materiais para conversão de energia

solar

demanda energética. Atos de energiacomo um papel importante na identificação do desenvolvimento econômico das nações em desenvolvimento. Eliminar esses problemas constantemente nos impõe em direção a fontes alternativas de energia [1]. A Organização Mundial da Saúde publicou as estatísticas; há mudanças climáticas importantes entre 2030 e 2050, que causam mortes de aproximadamente 250.000

por ano. Atualmente, 80% das fontes convencionais de energia são relatadas como consumo global de energia [2]. A utilização de energia renovável estimada no ano de 2020 é de aproximadamente 8,65%. No ano de 2050, essa fonte de energia tende a aumentar em torno de 9,82% na demanda de energia. O consumo global de energia industrial por combustível é mostrado na Tabela 1.1.

As fontes de energia renováveis são isentas de emissão de dióxido de carbono, como energia solar, energia das marés, energia de biomassa e energia eólica [3]. Há um maior crescimento dos preços dos combustíveis e restrições climáticas, e os setores industriais estão mais inclinados para as fontes de energia renováveis ao invés do uso de combustíveis fósseis. Conseqüentemente, novas tecnologias avançadas são introduzidas para substituir as fontes convencionais de energia nas indústrias e em alguns outros aparelhos também [4]. Entre os vários tipos de energia renovável, a energia solar é uma fonte ambiental gratuita, limpa e não poluente que deve ser implementada nas indústrias. Geralmente, há uma grande quantidade de energia solar disponível em nossa terra, fácil de extrair da radiação solar e ocorre uma redução significativa nos efeitos de estufa. Contudo, De acordo com a Política Internacional de Energia Renovável, o a capacidade de geração de energia é contabilizada no total como 2.537

GW no mundo

Mesa 1,1 Industrial global padrão de consumo de energia por combustível em 2020 e 2050 (em termos de%).

Introdução à conversão de energia solar

5

Fontes de energia

2020 (%)

2050 (%)

Líquidos Gás

26,3

25,86

Natural

23,27

23,71

Carvão

25,97

24,43

15,77

16,16

Eletricidade

Renovável

8,65

9,82

6 Materiais para conversão de energia

solar

consumo de energia até o final de 2019 [5]. O aumento líquido da capacidade de geração de energia renovável global é de 176 GW (7,4%) em 2019. Neste total de fontes de energia renováveis, a energia solar continuou a ser uma geração de energia de destaque que ocorre como 23% aproximadamente e 20% de aumento no ano de 2019 em comparação com o ano de avaliação anterior de 2018.

1.2 Formas de Energia

Várias formas de energia [6]: A energia ocorre em diferentes formas de energia [39]. Eles são energia mecânica, energia química, energia elétrica, energia térmica, energia nuclear e energia radiante.

As várias fontes e resultados estão resumidos na Tabela 1.2 [1].

A geração de fontes de energia renováveis - fonte de dados regional das estatísticas de energia renovável de 2020, capacidade de geração de energia renovável comparativamente em 2018 a 2019 - é apresentada na Tabela 1.3.

Há um desenvolvimento contínuo de uma energia alternativa aos combustíveis fósseis e algumas outras fontes de energia em que a fonte renovável é uma das coisas mais emergentes, mas não é nova para o mundo. Em geral, em todas as nações do mundo, há maior disponibilidade de energia renovável que atenderia às demandas mundiais de energia de acordo com as necessidades. No entanto, apenas 0,02% das fontes de energia solar podem ser utilizadas de fontes totais como energia eólica, energia solar, biomassa e fontes de energia geotérmica [7, 8]. Nos últimos anos, tem havido um rápido aumento dos sistemas de energia solar e eólica, o que confere melhores características de desempenho e maior taxa de crescimento também. Os custos de produção e principais foram reduzidos sugestivamente desses sistemas. Devido a essas melhorias nos mercados comerciais, a energia renovável tem mais vagas. A energia solar é uma tecnologia mais abrangente com base em seu resultado efetivo para os mercados em várias localidades. De acordo com o International Energy

Introdução à conversão de energia solar

7

Outlook (IEO), estima-se que o consumo total de energia comercializada mundialmente aumente entre 2020 e 2030 em cerca de 12% [7].

Mesa 1,2 Várias fontes de energia.

Primário fontes

Energia de saída

Natural Fontes (Carvão, Petróleo, Natural gás) Elétrica Energia Combustíveis nucleares - UraniumThermal

Energia

Solar RadiationLight

Energia

8 Materiais para conversão de energia

solar

Tabela 1.3 Fontes de energia renováveis, produção anual e demanda global [40].

Norte América

EuropeEurasia

Capacidade

391 GW

Capacidade 573 GW

Capacidade

106 GW

Global

15%

Global

23%

Global

4%

Mudar

+ 22,3 GW Mudar

+ 35,3 GW Mudar

+ 3,1 GW

Crescimento

+ 6%

Crescimento

+ 6,6%

Crescimento

+ 3% América Central e

Caribenho

Médio Oriente

Ásia

Capacidade

16 GW

Capacidade 23 GW

Capacidade

1119 GW

Global1% Global1% Global44%

Mudar

+ 0,6 GW Mudar

+ 2,5 GW Mudar

+ 95,5 GW Crescimento + 4,1%

Crescimento + 12,6%

Crescimento

+ 9,3% Sul América

AfricaOceania

Capacidade

221 GW

Capacidade 48 GW

Capacidade

40 GW

Global

9%

Global

2%

Global

2%

Mudar

+ 8.4 GW

Mudança + 2 GWChange

+ 6,2

GW Crescimento

+ 4%

Crescimento

+ 4,3%

Crescimento

+ 18,4%

1.3 Radiação solar

Em conta a energia solar sempre deve começar com a fonte de energia como o sol. A massa do Sol é de aproximadamente 1.024 toneladas, um

Introdução à conversão de energia solar

9

diâmetro de 1.392.082 km, e a radiação de energia ocorre na extensão de 3,8 × 1020 megawatts [9]. Por um bilhão de anos, os resultados declarados permanecem inalterados no cenário atual, mas definitivamente, de vez em quando, ocorrem pequenas mudanças na radiação da energia solar. Com base nesses fatores, consideramos a energia solar constante.

A constante solar pode ser a média da energia solar de entrada por unidade de área e foi medida na atmosfera da superfície externa em um plano perpendicular aos raios com um valor numérico de 0,1353 W / cm2.

Constante Solar (S) = 1350 W / m2 (aproximadamente) [10].

10 Materiais para conversão de energia

solar

1.4 Princípios de transferência de calor

A transferência de calor é uma das transferências de energia da região superior do corpo para uma região inferior do corpo devido à diferença potencial do gradiente de temperatura. Existem inúmeras aplicações envolvidas nestas disciplinas, que são as seguintes:

✓ Motores de combustão interna

✓ Refrigeradores e sistemas de ar condicionado

✓ Aquecimento e resfriamento de fluidos

✓ Radiadores, etc.

A transferência de calor é classificada em três modos diferentes: condução de calor, convenção e radiação. O mesmo foi mostrado na Figura 1.1.

1.4.1 Condução

A condução de calor é um mecanismo de transmissão de calor que ocorre de uma parte de um material para outra parte do mesmo material ou de uma região para outra por meio de algum contato físico que o estende. A transferência de calor por condução pura ocorre apenas em sólidos.

1.4.2 Convecção

A transferência de calor por convecção ocorre entre um corpo sólido e um meio fluido, onde as temperaturas são diferentes. O processo de convecção sempre envolve no caso de meio fluido.

1.4.3 Radiação

A radiação é um processo de transferência de calor que ocorrerá entre duas temperaturas corporais diferentes sem um meio sólido ou fluido como meio de transmissão

Introdução à conversão de energia solar

11

Condução

Convecção

Radiação

Fluido

T1

T1

T2

móvel Ta

T1

Q

2º

Q

tri

Ts

T2

me

str

T1> T2

Ts> Ta

e

Figura 1,1 Vários modos de calor transferir.

12 Materiais para conversão de energia

solar

médio. O exemplo desse processo são as ondas eletromagnéticas onde nenhum meio é obrigatório para sua propagação.

Todo o eletromagnético as ondas são categorizadas em termos de comprimento de onda e viaja a uma taxa de velocidade da luz que é C

= 2,998 × 108 m / s.

Propriedades de emissão: A radiação de emissão depende dos seguintes aspectos por um corpo:

✓ Temperatura da superfície

✓ Natureza da superfície

✓ Frequência de radiação / comprimento de onda

A seguir estão os parâmetros importantes para lidar com as propriedades de emissão que são notadas como potência emissiva (Eb), potência emissiva monocromática (Ebʎ), emissividade (€), intensidade de radiação, radiosidade, densidade e pressão.

Conceito de corpo negro

Um corpo negro é um objeto que absorve toda a radiação de energia da atmosfera externa para sua superfície receptora. Um corpo negro é um emissor perfeito. Para um corpo negro α = 1, α = 0 e τ = 0.

O corpo negro é uma superfície ideal que possui as seguintes propriedades:

✓ O corpo negro absorve toda a radiação incidente,

independentemente do comprimento de onda e direções.

✓ Em uma temperatura prescrita, ele emite maior quantidade

de radiação térmica.

1.5 Leis Básicas da Radiação

1.5.1 Lei Stefan-Boltzmann

A lei de Stefan-Boltzmann é como a potência emissiva de um corpo negro que é diretamente proporcional à quarta potência de sua temperatura absoluta.

Introdução à conversão de energia solar

13

E ∝ T 4

b

onde Eb - Preto potência emissiva do corpo (W / m2)

σ - Constante de Stefan Boltzmann — 5,67 × 10−8 W / m2 K4

T - Temperatura absoluta (K)

14 Materiais para conversão de energia

solar

1.5.2 Lei de Planck

A Lei de Plank afirma que a distribuição espectral da intensidade da radiação do corpo negro perfeito é expressa pela seguinte equação:

b

exp (ch / kT) 1

Onde

(Eb) λ - Potência emissiva de comprimento de onda

único de um corpo c - Velocidade da luz

h - Planck's constante

ʎ - comprimento de onda

k - T constante de

Boltzmann - Temperatura

absoluta

1.5.3 Lei de deslocamento de Wien

A relação entre o comprimento de onda da potência emissiva máxima e a temperatura do corpo negro é dada pela seguinte expressão:

ʎ T = Constante

max

1.6 Conversão de energia solar

A energia solar pode ser convertida em alguma outra forma útil de fontes de energia usando diferentes tecnologias de conversão, como na Tabela 1.4. Os métodos são conversão fotoelétrico, fotoelétrico-fototérmico,

fototérmico,

fotoquímico,

fotocatalítico

e

fotoeletroquímico.

Tabela 1.4 Conversão d In

e t

en ro

ergdiu

a çã

[11o

]. à

conversão de energia solar

15

A partir

A partir de

de Energia

A partir de luz A partir de químico elétrico mecânico

Do calor

Para Químico foto-alimentoseletro-

Digestão de

Gaseifica

síntese

comida

dor

Para Elétrica

Tocha

chapeamen

Thermo-

mo to

to

Energia das

rizada

Oceano

ondas

bateria leve

geotérmic

Solar células

Elétrico

Célula de

o elétrico

Transforma

gerador

combustível

-

dor

moinho de

térmico

vento

potênc

(Contínuo)

ia

Thermo-

casal

16 Materiais para conversão de energia

solar

Tabela 1.4 Conversão de energia [11]. (Contínuo)

FromFrom

elétrico

Energia

Da luz

De química

mecânico

Do calor

Para Mecânico

Hidrólise de

Poder furar

volante

Motores

f o t o e l é t r i c o

trifosfato

térmicos

de

adenosina

Acender

laser

Químico

Elétrico

fagul

Caixa de

Nutrientes

luminá

ha

fósforos

A maioria das

ria

combustões

caracterizada

Aquece

Células

Elétrico

Esfregar de

Aquecer

s por chama

r

solares

aquec

mãos

permutad

O rádio

edor

juntas

or

costumava

ser pintado

1.6.1 Fontes de energia renovável e não renovável

Queimand

o de

As energias renováveis e não renováveis são de dois tipos, geralmente no madeir

planeta Terra utilizadas pelos organismos vivos.

a

Fontes de energia re D

n e

o m

v is

ávsã

e o

is : As fontes de energia renováveis são

definidas como a energia obtida a partir de fontes naturais que são continuamente produzidas por elas mesmas para uma utilização nas atividades do dia-a-dia em determinados períodos de tempo. Esses sistemas de energia incluem sol, ondas do mar, biomassa (desperdício de materiais vegetais), usinas hidrelétricas e também alguns outros recursos semelhantes. Esse tipo de energia também é declarado como fonte de energia verde ou sustentável ou não convencional.

Fontes de energia não renováveis: As fontes de energia não renováveis são definidas como o combustível que não se rejuvenesce continuamente uma vez que é utilizado na escala de níveis que sustentam sua taxa de consumo. Esses recursos são apresentados em uma quantidade maior de quantidades fixas e usados de forma mais rápida do que a natureza poderia produzir. Alguns exemplos mais adequados são carvão, energia nuclear, combustíveis fósseis, gás natural, produtos de petróleo, urânio, etc.

Introdução à conversão de energia solar

17

1.6.2 Diferencie entre renováveis e não renovável Fontes

de energia

A diferença entre as fontes de energia renováveis e não renováveis foi explicada na Tabela 1.5.

18 Materiais para conversão de energia

solar

Tabela 1.5 Diferença em fontes de energia renováveis e não renováveis.

S.NoAspects

Renovável energia

Energia não-renovável

1

Origem

Atmosfera da Terra -

biocombustíveis,

não feita pelo

metanol, biodiesel, etc.

homem

2

Restrições

Ecológico de usar

3

Habilidades

Interdisciplinar

4

Vida de Recursos

Finito

5

Escala

6

Impactos em

Pequ

ambiente

eno

7

Prejudicial ao

3% –4% de CO2

meio

ambiente

Menos prejudicial

8

Requisitos da

área

Maior

9

Custo de

manutenção

Alto

10

Precaução de

segurança

Men

11

Exemplos

os

Solar, energia das

marés, etanol,

Introduçã

en o

g à

en hcaorinav

ersão de e

M n

e e

n rg

or ia solar

19

Camadas

subterrâneas de

Infinito

e

Earth-Natural

Baix

Recursos

desaparecer

o

Impacto sério no meio

Grande

ambiente leva a

91% -94% de CO2

Mais

mudanças climáticas

Mais

link

de

Petróleo, gás

Mais poluído

conscientização

natural, minerais,

para o ar,

com termos de

etc.

agua

1.7 Sistema de conversão foto-térmica

Um sistema fototérmico é o método direto em que a energia solar ajuda a se transformar em calor como radiação incidente. Alguns dos sistemas de coleta solar são projetados com base neste conceito, que são coletor de placa plana, coletor evacuado, coletor de ar solar, etc.

Os princípios básicos envolvidos nesta conversão de energia são absorção, reflexão, emissão e transmissão.

20 Materiais para conversão de energia

solar

1.7.1 Coletor de placa plana

Em qualquer sistema de coleta de energia solar, o coletor de placa plana desempenha um papel eminente que absorve a energia solar e, em seguida, é convertida em calor. A fonte de calor pode ser transferida para a linha de um gás ou fluido. Geralmente, o coletor de placa plana tem os seguintes componentes: absorvedor, transparente, cove e moldura. O calor passa pelas linhas de tubos de entrada e saída.

Placa absorvente: A placa é composta de alumínio, cobre, polímero materiais, aço e materiais de dutos. Alguns dos materiais básicos são usados com pintura preta nos lados que recebem a radiação. A função da placa absorvente é converter o calor da radiação de comprimento de onda curto para minimizar a perda de calor em um sistema.

Cobrir: A capa é feita de materiais como um ou uma combinação de mais folhas, folhas sintéticas (ou seja, Teflon e polietileno). Também ajuda a conter a perda de transferência de calor por convecção para o ambiente.

Caixa de colecionador: Ele contém várias partes que precisam para a irradiação

transmissão, absorção, isolamento térmico e conversão de energia de uma fonte. Os materiais usados para esses elementos são alumínio, aço galvanizado, madeira e materiais sintéticos.

Os projetos de coletores são categorizados em vários tipos que dependem das aplicações, especialmente com base na conduta do modo de portador de calor e absorção de radiação através de sistemas que são coletores de placa plana de líquido não concentrado, coletores de ar não concentrados e coletores concentradores .

Coletores de placa plana de l í quido n ã o concentrado Este sistema contém manta absorvente com os tubos para fins de calor, cobertura transparente, material de isolamento e tubos de passagem de fluido. É geralmente usado para sistemas de aquecimento de aplicações ao ar livre. O material usado para este tipo de sistema são dienmonômeros de etileno propileno e ajudam a sobreviver a uma taxa de temperatura de 150

° C e à radiação ultravioleta. Alta eficiência é produzida ao usar este método, especialmente para uma aplicação em piscina. É também chamado

Introdução à conversão de energia solar

21

de coletor do tipo absorvedor. Os coletores de placa plana de líquido não concentrado são mostrados na Figura 1.2.

N ã o Concentrado Coletores de ar

O projeto do coletor de ar é comparativamente mais simples do que os coletores do tipo líquido. Há muito espaço entre a placa absorvente e o ar para que o coeficiente de transferência de calor seja melhor. A Figura 1.3

mostra os coletores de ar não concentrados. Os diferentes tipos de coletores solares são explicados na Tabela 1.6.

22 Materiais para conversão de energia

solar

Absorvedor

único

Solteiro tampa coletor de

Coletor de placa plana de

placa plana

duas tampas

Figura 1.2 Coletores de placa plana de líquido não concentrado.

Vidra

ças

Ar

Isolamento

Figura 1.3 Não concentrado coletores de ar.

Concentrando Coletores

Faixa de temperatura ainda mais alta é obtido usando este tipo de coletores. Nestes coletores de concentração, também chamados de coletores de foco, a energia solar é coletada na superfície absorvente usando lentes ou espelhos. Dois componentes principais são necessários neste dispositivo coletor, como concentrador e receptor. O

concentrador atua como um espelho refletor e foca a radiação solar em seu eixo e então a radiação é absorvida na superfície do tubo

Introdução à conversão de energia solar

23

absorvedor e transfere os fluxos de líquido para ele. As perdas convectivas e radiativas dissipadas para a atmosfera são minimizadas quando se utiliza uma tampa feita de um vidro concêntrico que envolve

24 Materiais para conversão de energia

solar

Mesa 1,6 Tipos de coletores solares [12].

Com base no

Tipos de

movimento de

colecionadores

Absorvedor

S. não

os sistemas

usado

usado

1 sem movimento

Coletor de placa

Tubula

plana Tubo

r Plano

Evacuado

Plano

Composto de

2

Sistema de eixo de trilha

Tubular

Coletor Parabólico

única

Tubular

Colecionador

Tubular

Calha parabólica do

3

coletor de lentes de

Eixos de via dupla

Apo

Fresnel

Sistema

ntar

Calha

Apon

cilíndrica coletor

tar

colecionador

tubo absorvedor do sistema. O movimento de rastreamento também está Prato

envolvido neste método de coletores p a

q ra

ua bnódlioc oa focagem ocorre da luz solar

para o tubo. Os coletores de concentcroale

çã to

o rs ãde

o mostrados na Figura 1.4.

campo do

Méritos:

heliostato

✓ Absorve radiação difusa e ref rleetfle

id tao r

✓ Menor preço de manutenção

✓ Design simples

✓ Devido à orientação de inclinação fixa, não há necessidade de sistema de rastreamento

Introdução à conversão de energia solar

25

Figura 1.4 Coletores de concentração.

26 Materiais para conversão de energia

solar

Deméritos:

Devido à indisponibilidade de concentração óptica, a eficiência do resultado resultante será menor e haverá mais chance de perda de calor em um sistema.

1.7.2 Coletor Solar Evacuado

Um dos métodos desenvolvidos no lugar do coletor solar convencional é o coletor solar evacuado. O principal objetivo do desenvolvimento deste tipo de projeto é melhorar a taxa de eficiência, reduzir a taxa de perda de transferência de calor, melhorar as temperaturas condicionais de trabalho e minimizar o tamanho de construção do coletor.

Este método é projetado criando o vácuo entre a placa absorvente e a tampa de vidro. Um tubo de vidro atua como uma tampa e desempenha um papel importante para suportar a diferença de pressão criada em um sistema. Existem vários projetos de coletores evacuados desenvolvidos. Os sistemas de aquecimento solar de água usavam uma cobertura de vidro de borosilicato como tubos de vácuo para absorver a energia da radiação solar.

As principais características do coletor de tubo solar evacuado são as seguintes:

✓ Tubos de vidro de melhor qualidade

✓ Durante o inverno e as estações nubladas, o sistema coletor de tubo a vácuo solar oferece um bom desempenho de

aquecimento.

✓ O método de isolamento é altamente instalado para manter

a temperatura mesmo para uma faixa mais alta de água.

✓ Design compacto em tamanho

✓ A manutenção é muito mais fácil e simples de instalação

✓ Menor custo operacional de mão de obra

✓ Sistema ecológico

Introdução à conversão de energia solar

27

1.8 Aplicações Térmicas

As inúmeras aplicações térmicas solares são categorizadas a partir da absorção da radiação solar direta ou indiretamente. Se a energia solar é utilizada para geração de recursos de energia térmica de diversos aparelhos industriais e domésticos [13] de forma a evitar a falta de dependência de fontes de combustíveis fósseis, então a energia solar também ajuda a eliminar enormemente a produção de gás tóxico.

principalmente como dióxido de carbono, dióxido de enxofre e óxido nitroso [14]. Mesmo assim, algumas dificuldades práticas são enfrentadas no acoplamento da energia solar térmica em vários processos como diluição e algumas outras formas naturais de radiação solar.

28 Materiais para conversão de energia

solar

O consumo de distribuição de energia geralmente mostra que aproximadamente 13% do uso térmico industrial precisa de menor quantidade de temperaturas até 100 ° C e então cerca de 27% precisa de cerca de 200 ° C [15] e o resto de mais alguns aparelhos requer uma maior temperaturas no campo das indústrias de processamento de aço e vidro.

Muitas das indústrias precisam de um aquecimento em alguns componentes de suas aplicações operacionais [12]. A utilização do calor está envolvida em uma variedade de operações industriais para diferentes faixas de temperatura como baixa, média e alta, aproximadamente 20 ° a 240 ° C [16]. Mesa

1.7 mostra as unidades de processamento industrial e os requisitos de temperatura.

Mesa 1,7 Utilização de calor em indústrias e sua temperatura operacional intervalos [17].

4

e

S.

Indústrias

blocos

não

5

Indústria de Laticínios

Eu no

1

6

Plásticos

Industria têxtil

2

7

Indústria química

3

Indústria de Papel Tijolos

entrado

Intro

B d

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raçã

ch o

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a e

rsão de energia solar

29

Faixa de temperaturas

s Água

[° C]

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100 a 120

s

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branque

100 a 120

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E

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60 a 80

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s

60 a 90

Secage

Cura

t

120 a 180

m

e

60 a 90

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Branquea

Lavar

100 a 130

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mento e

Esterilização

160 a 180

l

Tingiment

Cozinhar

80 a 100

i

o

Preparação e Mistura,

z

Desengor

60 a 80

Destilação e Separação

a

durante

200 a 260

Separação

ç

P

150 a 200

ã

r

60 a 80

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130 a 150

n

P

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60 a 140

r

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60 a 90

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60 a 90

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e

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f

120 a 140

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i

140 a 160

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200 a 220

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a

ç

ç

ã

ã

o

o

Sabonete

C

s de água

o

de pré-

n

aquecime

c

nto

30 Materiais para conversão de energia

solar

As radiações térmicas solares comumente usadas em operações domésticas e industriais são as seguintes [18]:

✓ Aquecimento solar de água

✓ Geração de vapor

✓ Secagem Solar

✓ Resfriamento e refrigeração do espaço

✓ Destilação solar

✓ Cozinhando

✓ Geração de energia

1.8.1 Sistemas de aquecimento solar de água

Uma das aplicações térmicas domésticas e industriais mais necessárias é a tecnologia de aquecimento solar de água e é mais eficiente em comparação com outros tipos de equipamento solar atualmente em uso. Em muitos países, as tecnologias de SWH estão se tornando mais comerciais e há uma taxa de utilização de crescimento maior de cerca de 30% nas últimas décadas [13, 18].

Este tipo de sistema constitui os coletores solares de placa plana e espaço para armazenamento de água [13], que é isolado para evitar a possibilidade de perda de calor. Além disso, o líquido aquecido passado da unidade coletora para o tanque de armazenamento ocorre em dois métodos diferentes, como segue:

Introdução à conversão de energia solar

31

Saída de