02/07/2009

Entrevista: Júlio Chaves

Quem é o Júlio Chaves? Podia-nos contar um pouco acerca de si e do seu percurso académico e profissional?

Nasci em Moreira, uma freguesia do concelho de Monção, no norte do País. O meu percurso académico decorreu sobretudo no Instituto Superior Técnico em Lisboa, onde frequentei o curso de Engenharia Física e onde fiz o meu doutoramento, também em física, no ramo da óptica anidólica. Mudei-me posteriormente para Madrid prosseguindo o estudo da óptica anidólica no Instituto de Energía Solar da Universidad Politécnica de Madrid. Após esta estadia em Madrid, mudei-me para a Califórnia, EUA, onde trabalhei alguns anos na empresa LightPrescriptions Innovators (LPI). Actualmente estou de volta a Madrid, continuando a trabalhar na mesma empresa.

Durante este percurso tive a oportunidade de criar alguns conceitos para o desenho de ópticas anidólicas que foram depois desenvolvidos em maior profundidade e são actualmente utilizados pela LPI. Sou co-inventor de cerca de uma dezena de patentes, algumas já concedidas outras ainda em processo de concessão. Sou co-autor também de mais de duas dezenas de artigos científicos nesta área, tendo também participado em vários congressos internacionais. Sou também o autor do livro “Introduction to Noninaging Optics”, CRC Press, 2008 e autor principal do capítulo sobre concentradores solares para o livro “Advanced Nonimaging/Illumination Optics” da McGraw Hill, que reúne participações de vários autores Europeus e Americanos, e com publicação prevista para meados de 2009. Participo activamente em projectos da LPI em investigação, desenvolvimento de propriedade intelectual e aplicados às necessidades dos seus clientes, nas áreas da iluminação e da concentração solar.

Aprecio o ar livre e meu passatempo favorito é caminhar em espaços naturais.

Podia explicar o que se entende por óptica anidólica e quais as suas aplicações?
A óptica anidólica, também chamada óptica não formadora de imagem (do Inglês nonimaging optics), é um ramo relativamente recente da óptica cuja aplicação se dá em dispositivos ópticos que não procuram a formação de imagem, mas apenas transferir a energia da luz de uma fonte para um receptor. O princípio fundamental deste ramo da óptica é o teorema dos raios extremos. Este, em termos gerais, diz-nos que se um sistema óptico transfere a luz dos extremos da fonte para os extremos do receptor, então a luz emitida pelos pontos internos da fonte também se transmitiria para pontos internos do receptor. Este princípio contrasta com a condição muito mais restritiva que as ópticas formadoras de imagem devem cumprir, em que a luz emitida por cada ponto da fonte (objecto) se concentra no correspondente ponto do receptor (imagem).

Sem dúvida, as duas aplicações mais importantes das ópticas anidólicas são a concentração de energia solar e a iluminação. Estas aplicações são de grande importância hoje em dia. No caso da utilização da energia solar, a concentração é imprescindível, tanto na térmica para obter temperaturas elevadas, como no caso do fotovoltaico para tornar viável a utilização de células de alta eficiência, cujo preço é muito elevado. As ópticas anidólicas são as ideais para concentração, tendo bastantes vantagens em relação às ópticas concentradoras convencionais, tais como os espelhos parabólicos. Existe uma grande variedade de concentradores anidólicos com diferentes geometrias.

No caso da iluminação, que representa uma parte significativa do nosso consumo energético, a utilização de ópticas mais eficientes e melhor adaptadas a novas fontes de luz, também estas mais eficientes, permite reduzir o consumo energético, algo determinante para reduzir a contaminação. A vantagem destas ópticas é o facto de permitirem controlar fontes extensas. O que isto significa é que a óptica que controla a luz não necessita ser de grandes dimensões quando comparada com o tamanho da fonte de luz, tal como acontece com as ópticas convencionais. Uma óptica de menores dimensões ocupa menos espaço, é mais leve e utiliza menos materiais. Além disso, para um mesmo volume, permitem melhor controlo da luz aumentando a eficiência. São tolerantes a erros de fabrico e podem ser desenhadas de tal forma que possam suportar pequenos movimentos da fonte de luz sem que o padrão de luz produzido seja afectado. Exemplos concretos de aplicação são colimadores (ópticas que produzem um feixe de luz emitido em determinada direcção, como no caso dos focos) ou ópticas mais elaboradas, como faróis de automóveis, que necessitam produzir um padrão complexo de iluminação da estrada, determinado por normativas internacionais. As ópticas anidólicas estão bastante bem adaptadas à utilização de LEDs como fontes de luz, o que permite antever que terão grande expressão no futuro da iluminação à medida que os LEDs forem progressivamente substituindo outras fontes de luz existentes actualmente.

A investigação em óptica anidólica tem também coberto outras áreas tais como guias de luz optimizadas para combinar várias fontes de luz ou distribuir a luz a vários locais, backlights que iluminam os ecrãns de computador, telemóvel ou televisões, detecção de radiação de baixa intensidade ou laseres solares.

Qual a sua aplicação nos campos das Renováveis?
No campo das renováveis, a óptica anidólica tem aplicação na concentração da energia solar. A concentração permite obter altas temperaturas no caso das aplicações térmicas, ou substituir área de células fotovoltaicas de alta eficiência mas preço elevado por área de ópticas mais baratas no caso das aplicações fotovoltaicas.

Para baixas concentrações, um concentrador solar pode ser mantido estacionário por períodos de tempo relativamente longos e o seu apontamento ao sol apenas ajustado de vez em quando. Para alta concentração, no entanto, o seguimento do sol tem que ser mais preciso, implicando ajustes constantes no alinhamento do concentrador. À capacidade que um concentrador estacionário tem de captar a luz do sol à medida que este se move no céu, chama-se aceitação. As ópticas anidólicas maximizam a aceitação, pelo que minimizam a necessidade de seguir o sol. No entanto, uma grande aceitação tem efeitos práticos muito mais abrangentes, pelo que a aceitação pode ser vista como uma medida da tolerância de um concentrador. Esta tolerância deve ser capaz de acomodar outros factores como as imprecisões na montagem do concentrador, imperfeições nas superfícies ópticas, efeitos do vento que fazem o concentrador oscilar, e outras considerações práticas que reduzem a eficiência das ópticas concentradoras. Ao maximizar a tolerância a estas imperfeições, as ópticas anidólicas têm o potencial de acomodar um fabrico menos preciso das ópticas, tolerar sistemas de seguimento menos robustos e menos precisos e permitir uma instalação simplificada dos componentes. Todos estes factores contribuem ao potencial de desenvolver sistemas mais baratos.

Além destes factores, as ópticas anidólicas têm vantagens adicionais quando aplicadas à alta concentração fotovoltaica. Muitos destes sistemas são montados em módulos contendo cada um deles vários concentradores com as respectivas células. Erros na montagem destes concentradores poderão fazer com que estes apontem em direcções ligeiramente diferentes, pelo que as células do módulo cujas ópticas estão melhor orientadas ao sol receberão mais luz do que aquelas cujas ópticas estão desalinhadas. Quando estas células estão ligadas em série, a baixa corrente gerada pelas células pouco iluminadas limita a corrente do módulo, baixando o seu rendimento. A alta tolerância ao desapontamento torna-se então muito importante, pelo que as ópticas anidólicas são as mais adequadas a estas aplicações. Um outro factor importante é a iluminação das células que deve ser relativamente uniforme, algo não proporcionado pelas ópticas focalizantes convencionais (como os espelhos parabólicos) que tendem a formar um pico muito forte de iluminação na célula. Também aqui as ópticas anidólicas podem ser desenhadas de tal forma a exibirem muito melhor comportamento que as ópticas convencionais.

As ópticas anidólicas aplicam-se em toda a gama de concentrações possíveis da energia solar. No caso das baixas concentrações, não há nas ópticas convencionais paralelo para as ópticas anidólicas. No caso das concentrações mais elevadas, os concentradores anidólicos têm bastante maiores tolerâncias e permitem atingir concentrações bastante mais altas que as ópticas focalizantes. Como exemplo, estes concentradores podem aproximar-se do limite máximo teórico de concentração enquanto que um espelho parabólico de geometria circular atinge apenas um quarto desse limite.

O primeiro dispositivo anidólico foi o CPC (Concentrador Parabólico Composto, do Inglês Compound Parabolic Concentrator) e a sua primeira aplicação importante foi em baixa concentração de energia solar, nos anos 70. Desenvolvimentos posteriores permitiram também obter concentradores para receptores tubulares, aumentando o potencial de aplicações térmicas. Painéis planos com ópticas CPC para aquecimento de águas têm sido utilizados ao longo dos anos de forma comercial, embora não sejam ainda muito comuns.

Ainda no domínio da baixa concentração, uma possível aplicação das ópticas anidólicas é na purificação de água contaminada utilizando a radiação ultravioleta solar num processo de fotocatálise. Alguma investigação foi já feita nesta área, mas ainda é um campo em larga medida por explorar.

Uma outra área com potencial interessante dos painéis solares poderá estar em concentrações um pouco mais elevadas. Com concentrações inferiores a um factor 2 poderão atingir-se temperaturas na ordem dos 115°C a 180°C, mas permitindo que os concentradores ainda sejam estáticos. No caso das temperaturas mais altas, será necessário utilizar vácuo envolvendo o receptor, ou então ir a concentrações superiores. Esta possibilidade abre a porta a outro tipo de aplicações, como o “ar condicionado solar”, especialmente útil quando o sol é mais intenso e a energia solar mais abundante. Neste caso poderão utilizar-se ciclos de absorção de efeito simples (no caso da temperatura menor) ou duplo (no caso da temperatura mais elevada) para produzir frio.

Para atingir temperaturas superiores, a concentração tem necessariamente que aumentar e aparece a necessidade de seguir o sol. Exemplos de aplicações incluem agora a dessalinização da água, a produção de calor para processos industriais ou a produção de energia eléctrica por via térmica.

A energia solar concentrada pode também ser utilizada em instalações fotovoltaicas, tanto nas de baixa concentração como nas de alta concentração em que se utilizam células solares de alto rendimento. Também aqui a utilização de ópticas anidólicas é vantajosa.

Na parte da energia solar como referiu as aplicações de CPV e CSP necessitam de boas soluções de óptica anidólica?

Poderemos ter aqui uma área de futuro ou já é uma área de presente?O CSP (Concentrating Solar Power) refere-se a concentração de energia solar utilizando ópticas concentradoras. Esta área pode dividir-se em CST (Concentrating Solar Thermal), CPV (Concentrating PhotoVoltaics) e CPT (Concentrating Photovoltaics and Thermal) quando a concentração se faz para aplicações térmicas, fotovoltaicas e térmica e fotovoltaica em simultâneo, respectivamente.

Nos anos 90 houve importantes desenvolvimentos de óptica anidólica para concentradores de Fresnel (campos de helióstatos) com a invenção de ópticas chamadas TERC (Tailored Edge Ray Concentrator). Por essa altura houve também novos desenvolvimentos importantes em concentradores lineares anidólicos para receptores tubulares utilizando novos métodos de desenho entretanto desenvolvidos. Estes avanços, no entanto, não se traduziram ainda em aplicações práticas importantes no CST. A este resultado não será alheio o facto de as centrais solares térmicas terem já uma longa história pelo que, nesta fase de ressurgimento da energia solar, haja a tendência para ir a soluções conhecidas e provadas em que o risco é considerado menor. À medida que estas tecnologias forem enfrentando uma concorrência crescente por parte do fotovoltaico, terão que optimizar os sistemas e neste processo a óptica anidólica terá, seguramente, um papel muito importante a desempenhar. Esse interesse em ópticas concentradoras mais avançadas começa já a notar-se.

No caso das instalações fotovoltaicas de concentração (CPV) tem havido bastante mais desenvolvimento das ópticas anidólicas. Para este facto poderão estar a contribuir vários factores. As instalações fotovoltaicas de concentração não são ainda comuns pelo que há menos experiência acumulada e mais risco envolvido em iniciar projectos desta natureza. Esta aceitação do risco parece levar as empresas envolvidas a estarem mais dispostas a aceitar um risco adicional de introduzir uma óptica nova, mas com maior potencial, tornando-as mais competitivas. Uma outra razão é que as primeiras tentativas de utilizar soluções simples, como lentes de Fresnel, resultam muitas vezes em problemas práticos que requerem ópticas mais elaboradas, pressionando-as a procurar soluções inovadoras.

Do lado das investigação em óptica anidólica, há um sentimento que o fotovoltaico será mais interessante no futuro para a produção de energia solar do que o térmico. Para esta percepção contribui o facto de as células de união tripla terem já atingido eficiências acima dos 40%, pelo que sistemas de concentração com rendimentos de 30% serão provavelmente possíveis num futuro próximo. Além do mais, a eficiência destas células tem vindo a aumentar consideravelmente nos últimos anos, tendo dado um salto de 10% na última década, o que gera a expectativa de melhores rendimentos num futuro próximo, melhorando a perspectiva do fotovoltaico de concentração. Além do mais, as ópticas concentradoras, quando fabricadas em larga escala, têm o potencial de ser baratas facilitando a introdução desta tecnologia.

Para o caso do CPT em que se combina fotovoltaico e térmica, não tem havido desenvolvimento apreciável de ópticas anidólicas. Os projectos nestas áreas e neste momento vão claramente no sentido de desenhar sistemas separados, térmicos e fotovoltaicos, cada um deles optimizado para a sua função.

Podía-nos falar um pouco da LPI – Light Prescription Innovators? Que áreas de negócio são as suas?

A LPI é uma empresa líder a nível mundial no campo da óptica anidólica, tendo desenvolvido e aplicado os mais avançados métodos de desenho, tanto em ópticas de iluminação como em concentração solar, e tem mais de 30 patentes. Criada em 1999 na Califórnia, tem representações na Califórnia, em Madrid e em Hong Kong. A empresa faz investigação, desenho óptico, produz protótipos das ópticas e pode fabricá-las. Na Califórnia trabalha-se sobretudo em iluminação enquanto que em Madrid se trabalha em iluminação e concentração de energia solar. Em Hong Kong fabricam-se as ópticas. A empresa tem uma ligação muito estreita com o CeDInt, um centro de I+D da Universidad Politécnica de Madrid e experiência com mais de 50 empresas como clientes ou parceiros em projectos. Entre os seus clientes contam-se Abengoa, Alcon, Alpha Med-surge, Alux, Bayer, Boeing, Color Kinetics, Cotco/Cree, FS Vama, General Motors, Guascor, Hyunday, Isofoton, Light Engine, NL Technologies, Osram, Petzl, Philips, Sony, Spectrolab, Sps, Underwater Kinetics, entre outros.

O seu recente livro é um manual de óptica anidólica? Quais os seus objectivos? Que mensagem deixa aos jovens portugueses interessados nesta área?

A óptica anidólica é uma área com um extraordinário potencial. O objectivo do livro é tornar-la acessível àqueles interessados sobretudo em iluminação e concentração de energia solar, dando-lhes a oportunidade de explorar um campo ainda pouco conhecido, mas em clara expansão.

Quando comecei a trabalhar nesta área, o desenvolvimento fazia-se sobretudo em pequenos grupos de investigação em algumas universidades e a informação estava espalhada por imensos artigos científicos em diversas publicações. Isso tornava o acesso a esta informação e a compreensão dos desenhos e dos fundamentos da óptica anidólica muito complicados e demorados. O meu livro (Introduction to Nonimaging Optics, CRC Press 2008) é o resultado de muitos anos de pesquisa, estudo e desenho de ópticas anidólicas. É um texto introdutório, pelo que não assume qualquer conhecimento prévio desta área. Está dividido em duas partes.

Na primeira, explicam-se os fundamentos da óptica anidólica, começando por ópticas simples e avançando depois para outras mais elaboradas. Os métodos de desenho da óptica anidólica são apresentados e aplicados a configurações concretas. O livro cobre uma vasta gama de desenhos desde os mais simples como o CPC (Concentrador Parabólico Composto) a outros muito elaborados, como os que envolvem materiais de índice de refracção variável. No fim de cada capítulo dão-se exemplos de aplicação, detalhando a forma como as ópticas são calculadas.

Na segunda parte, apresentam-se conceitos gerais de óptica (alguns deles mais teóricos) e a forma como se aplicam a esta área do conhecimento. Há também informação sobre como os conceitos da óptica anidólica se relacionam com conceitos de outras áreas, como a mecânica clássica, radiometria ou transferência radiativa de calor.

Aos jovens diria que a crescente necessidade de poupar energia, de a utilizar de forma optimizada e de a gerar de forma limpa torna esta área muito interessante. Neste contexto, creio que as muitas aplicações da energia solar terão um forte crescimento nos próximos anos e que a óptica anidólica terá um papel fundamental a desempenhar nesta expansão. Também no caso da iluminação eficiente, sobretudo com o a adopção dos LEDs como fontes de luz, haverá certamente grande expansão e de novo a óptica anidólica terá uma palavra muito importante a dizer. Creio que se trata de uma área de futuro que apenas agora está a dar os seus primeiros passos e a encontrar as primeiras aplicações importantes.

O que antevê no mundo do CSP e do CPV? Concorrência ou extinção de um deles?Tanto o CSP como o CPV têm sentido apenas em regiões com grande disponibilidade de radiação solar directa. Nas regiões em que tal não acontece, os sistemas fotovoltaicos de painel plano, fixos no caso de instalações menores e com seguimento no caso de instalações maiores, serão seguramente a solução a utilizar.
Os sistemas CSP têm vantagens e inconvenientes quando comparados com os CPV. A maioria dos sistemas CSP utilizam ciclos de Rankine em que se turbina vapor para produzir electricidade, e depois se condensa de novo à forma líquida. A forma mais económica de condensar este vapor é através de evaporação, o que leva a um consumo de água. Este é um claro inconveniente, uma vez que as zonas de maior insolação costumam também ter escassos recursos de água. Este problema não existe no CPV, que não consome água. No entanto, uma das vantagens dos sistemas CSP é a possibilidade de armazenar calor, que é mais barato do que armazenar electricidade, permitindo continuar a produzir electricidade mesmo quando não há sol. Neste momento o CSP lidera sobre o CPV em termos de capacidade instalada e projectada para a produção de electricidade. Trata-se de tecnologia demonstrada e que, portanto, tem mais facilidade em atrair investimento.

No caso do CPV, trata-se de uma tecnologia com grande potencial, mas que ainda tem que amadurecer e demonstrar baixo custo, fiabilidade, e capacidade de instalação em grande escala. Neste processo o CSP parte em vantagem. No entanto, com o passar do tempo provavelmente veremos estas tecnologias a par e talvez num futuro mais distante o CPV a tomar a liderança, à medida que o rendimento das células utilizadas para concentração for aumentando e se forem melhorando as respectivas ópticas. Algumas projecções indicam que, nos próximos 10 anos, os sistemas CPV encontrariam aplicação em instalações de média dimensão (dezenas de MW) enquanto que os sistemas CSP seriam mais adequados a sistemas de grande dimensão (centenas de MW).

Creio, no entanto, que é importante notar que as aplicações do CSP não se limitam à produção de electricidade, pelo que esta tecnologia terá também certamente um futuro em outras áreas tais como a geração de calor para processos industriais, aquecimento, dessalinização ou “ar condicionado solar”.

Quais os países que mais investem nesta área de investigação?

A óptica anidólica apareceu nos anos 60 em três locais distintos: Alemanha, União Soviética e Estados Unidos. O trabalho Americano foi o que conheceu maior expansão tendo resultado no que a óptica anidólica é hoje. Inicialmente o desenvolvimento deu-se nos EUA e mais tarde expandiu-se sobretudo a Portugal, Espanha, Alemanha, Israel e Austrália. Neste momento, os países mais activos nesta área são Espanha, EUA e Alemanha.
Em Portugal tem havido algum interesse por esta área desde há várias décadas e existem aplicações sobretudo no solar térmico de baixa concentração e mais recentemente parece haver algum interesse no fotovoltaico de baixa concentração. Nos últimos anos houve também desenvolvimentos de ópticas na área da purificação de água contaminada e concentradores anidólicos lineares de Fresnel (baseados em helióstatos).

Espanha é um dos países onde tanto a investigação e a implementação de projectos de CSP e CPV tem tido evoluções nos últimos anos. De que forma a actual crise financeira e económica e a previsível reformulação dos tarifários poderão afectar este tipo de projectos?Espanha teve nos últimos anos um grande crescimento das renováveis, especialmente energia eólica. No entanto, em 2008 o maior crescimento deu-se em energia solar fotovoltaica, com um aumento de 450%. Em Setembro de 2008 houve uma mudança de legislação em Espanha (do antigo Real Decreto 661/2007 para o novo Real Decreto 1578/2008) que diminuiu consideravelmente os incentivos à instalação de energia solar fotovoltaica e criou um máximo para a capacidade a instalar em 2009. Estas variações de legislação, mais do que a crise, afectam o fotovoltaico em Espanha. As variações no mercado do fotovoltaico são as que potencialmente mais afectam o desenvolvimento da óptica anidólica uma vez que a maioria da investigação em solar nesta área se faz neste momento em CPV. A grande expansão do fotovoltaico deu-se, no entanto, em painel plano, pelo que a contracção do mercado agora se dá também nessa área. No caso do CPV, mantém-se o interesse das empresas em desenvolver novas ópticas anidólicas mais eficientes e tolerantes que possam concorrer neste novo cenário, pelo que se continua a trabalhar activamente no desenvolvimento desta área. No caso do CSP começam a aparecer sinais de que o desenvolvimento de novas ópticas anidólicas poderá ressurgir, mas a investigação ainda não é tão importante como no CPV.

Portugal poderá ter no futuro projectos de investigação e demonstração nesta área que venham a gerar produtos e projectos de implementação nacional e mundial?
Há em Portugal uma ainda pequena mas crescente percepção da importância da óptica anidólica junto das empresas ligadas à concentração solar. O crescimento desta área, no entanto, dependerá sobretudo da evolução destas empresas. Portugal é um país com imenso potencial na área da energia solar. Há grupos muito interessados em avançar com a energia solar térmica e fotovoltaica, com planos ambiciosos, que incluem instalação e comparação de diferentes tecnologias, fabrico de componentes e expansão para os mercados nacional e internacional. Todos estes planos, no entanto, parecem depender de o governo dar o primeiro impulso, pelo que há alguma incerteza sobre se o potencial do país nestas áreas se desenvolve nestes termos. Há também pequenas empresas com produtos próprios que tentam ganhar cota de mercado. Se este desenvolvimento não se der, perder-se-á uma extraordinária oportunidade que outros países não hesitarão em aproveitar e Portugal tornar-se-á importador e instalador de tecnologias estrangeiras.

* Júlio Chaves: Investigador na área da óptica.
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