Energia Solar Fotovoltaica

Energia Solar Fotovoltaica

A energia solar fotovoltaica (PV) é um método de geração de energia elétrica convertendo a radiação da energia solar em energia elétrica de corrente contínua usando semicondutores que exibem o efeito fotovoltaico. A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia renovável e sustentável. A energia solar fotovoltaica é agora a terceira fonte de energia renovável mais importante depois da energia hídrica e eólica em termos de capacidade instalada globalmente. As células solares, também chamadas de células fotovoltaicas pelos cientistas, convertem a energia do sol diretamente em eletricidade. PV recebe o nome do processo de conversão de luz (fótons) em eletricidade (tensão), que é chamado de “efeito fotovoltaico (PV)”. O efeito PV refere-se a fótons de luz excitando elétrons em um estado mais alto de energia, permitindo que eles atuem como portadores de carga para uma corrente elétrica. O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez por Alexandre-Edmond Bequerel em 1839. O termo fotovoltaico denota o modo de operação imparcial de um fotodiodo em que a corrente através do dispositivo é inteiramente devida à energia luminosa transduzida. Praticamente todos os dispositivos fotovoltaicos são algum tipo de fotodiodo. O efeito fotovoltaico do silício (um elemento encontrado na areia) foi descoberto em 1954, quando cientistas da Bell Telephone descobriram que o silício criava uma carga elétrica quando exposto à luz solar.





A energia solar é o recurso energético mais abundante do planeta. A conversão direta da energia solar em energia elétrica em células fotovoltaicas é uma das três tecnologias solares ativas. As outras duas tecnologias são 'concentrando energia solar (CSP)' e 'coletores solares térmicos para aquecimento e resfriamento (HSC)'. Hoje, a energia fotovoltaica fornece mais de 0,1% da geração total de energia global. Também tem futuro promissor. A capacidade fotovoltaica global está aumentando a uma taxa média de crescimento anual de mais de 40% desde 2000 e tem um potencial significativo de crescimento de longo prazo nos próximos anos. A energia solar fotovoltaica é uma tecnologia confiável disponível comercialmente para geração de energia. A energia solar fotovoltaica não só contribui para reduções significativas das emissões de gases de efeito estufa, mas também oferece benefícios em termos de segurança do fornecimento de energia e desenvolvimento socioeconômico. Devido à crescente demanda por fontes de energia renovável, a fabricação de células solares e fotovoltaicas avançou consideravelmente nos últimos anos.

As células solares produzem eletricidade de corrente contínua a partir da luz do sol, que pode ser usada para alimentar equipamentos ou para recarregar uma bateria. A primeira aplicação prática da energia fotovoltaica foi para alimentar satélites em órbita e outras naves espaciais, mas hoje a maioria dos módulos fotovoltaicos é usada para geração de energia conectada à rede. Nesse caso, um inversor é usado para converter a corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA).

Os painéis solares usados ​​para geração de energia são normalmente feitos de células solares combinadas em módulos que comportam cerca de 40 células. Muitos painéis solares combinados para criar um sistema que é chamado de painel solar. Cabos solares de cobre conectam módulos (cabo de módulo), matrizes (cabo de matriz) e subcampos. Um edifício típico usará cerca de 10 a 20 painéis solares para atender às suas necessidades de energia. Para grandes utilidades elétricas ou aplicações industriais, centenas de painéis solares são interconectados para formar um sistema fotovoltaico de grande escala.

Para obter o melhor desempenho, os painéis solares fotovoltaicos visam maximizar o tempo em que enfrentam o sol para maior geração de energia. Os rastreadores solares alcançam isso movendo os painéis fotovoltaicos para seguir o sol. Isso permite que eles capturem a maior parte da luz solar. O aumento pode chegar a 20% no inverno e até 50% no verão. Os sistemas montados estáticos podem ser otimizados pela análise do caminho do sol. Os painéis geralmente são definidos para inclinação de latitude, um ângulo igual à latitude, mas o desempenho pode ser melhorado ajustando o ângulo para a temporada de verão e inverno. Geralmente, como acontece com outros dispositivos semicondutores, temperaturas acima da temperatura ambiente reduzem o desempenho das células fotovoltaicas.

A célula solar consiste em camadas de um material semicondutor. Quando a luz brilha na célula, ela cria um campo elétrico entre as camadas, fazendo com que a eletricidade flua. Quanto maior a intensidade da luz, maior é o fluxo de eletricidade. No entanto, um sistema fotovoltaico também pode gerar eletricidade em dias nublados. Não precisa de luz solar intensa para operar. O desempenho de uma célula solar é medido em termos de eficiência em transformar a luz solar em eletricidade. Um módulo solar fotovoltaico com uma eficiência de 12,5% significa que converte um oitavo da luz solar que atinge o módulo em eletricidade.

A capacidade de energia fotovoltaica é medida como potência máxima de saída sob condições de teste padronizadas (STC) em 'Wp' (pico de Watts). A potência real de saída em um determinado momento pode ser menor ou maior que este valor padronizado, ou “nominal”, dependendo da localização geográfica, hora do dia, condições climáticas e outros fatores. O fator de carga da planta (PLF) de matrizes fotovoltaicas solares é normalmente inferior a 25%, o que é menor do que muitas outras fontes industriais de eletricidade.

Células fotovoltaicas solares

As células solares tradicionais são feitas de silício. Geralmente são placas planas e geralmente são as mais eficientes. As células requerem proteção do meio ambiente e geralmente são embaladas firmemente atrás de uma folha de vidro. A tecnologia fotovoltaica usa os seguintes tipos de células solares.

• Célula solar de silício cristalino – Estas são as células solares mais eficientes e são feitas de “silício de grau solar”. Esta tecnologia foi desenvolvida primeiro e hoje representa a maioria das aplicações nos painéis solares. As células são feitas de fatias finas (wafers) cortadas de um único cristal de silício (silício monocristalino c-Si) ou de um bloco de cristais de silício (silício poli ou multicristalino poli-Si ou mc-Si). As células de wafer de cristal único tendem a ser caras, pois são cortadas de lingotes cilíndricos. Eles não cobrem completamente um módulo quadrado de célula solar sem um desperdício substancial de silício refinado. Normalmente existem lacunas descobertas nos quatro cantos das células feitas de cristal único. As células de silício poli ou multicristalino são feitas de lingotes quadrados fundidos que são grandes blocos de silício fundido cuidadosamente resfriados e solidificados. As células Poly-Si são mais baratas de produzir do que as células de silício monocristalino, mas são menos eficientes.
• Célula solar de filme fino – São células solares de segunda geração e são feitas depositando camadas extremamente finas de materiais fotossensíveis em um suporte de baixo custo, como vidro, aço inoxidável ou plástico. Os materiais fotossensíveis utilizados são silício amorfo e materiais não silício, como telureto de cádmio (Cd-Te), seleneto/sulfeto de cobre, índio e gálio (CIGS). As células solares de filme fino usam camadas de materiais semicondutores com apenas alguns micrômetros de espessura. Os custos de produção mais baixos contrabalançam a menor eficiência desta tecnologia. Eles se tornaram populares em comparação com o silício wafer devido aos custos e vantagens mais baixos, incluindo flexibilidade, pesos mais leves e facilidade de integração. Um processo típico de fabricação de filme fino inclui (i) revestimento do substrato com uma camada condutora transparente, (ii) deposição da camada ativa por várias técnicas, como deposição química/física de vapor, (iii) metalização do verso (contatos) usando laser riscagem ou serigrafia tradicional e (iv) encapsulamento em invólucro de polímero de vidro. As técnicas de rolo a rolo costumam ser usadas com substratos flexíveis para reduzir o tempo e os custos de produção.

• Outros tipos de células – Vários outros tipos de tecnologias fotovoltaicas estão sendo desenvolvidos hoje ou começando a ser comercializados. Estas são células solares de terceira geração que estão sendo feitas de uma variedade de novos materiais, incluindo tintas solares usando tecnologias convencionais de impressão, corantes solares e plásticos condutores. Algumas novas células solares usam lentes ou espelhos de plástico para concentrar a luz solar em um pedaço muito pequeno de material fotovoltaico de alta eficiência. O material fotovoltaico é mais caro, mas como é necessário tão pouco, esses sistemas estão se tornando econômicos para uso por concessionárias e indústrias. No entanto, como as lentes devem estar voltadas para o sol, o uso de coletores concentradores é limitado às partes mais ensolaradas.

A eficiência de conversão de diferentes tecnologias é fornecida na Tab 1. A vida útil de uma célula fotovoltaica solar é de 25 anos. No entanto, sua eficiência e, portanto, a geração de energia se deteriora com o tempo. A deterioração é de 10% nos primeiros dez anos e outros 10% nos próximos 15 anos.

Tab 1 Eficiências de conversão de diferentes tecnologias
Tipo de tecnologia	Eficiência de conversão		Eficiência do laboratório	Área/kW
	Célula	Módulo
Unidade	%		%	M²/kW
Monocristalino	16-22	13-19	24,7	7
Policristalino	14-18	11-15	20,3	8
Silício amorfo	4-8		10.4	15
Cd-Te	10-11		16,5	10
CIGS	9-12		20,3	10
Outros materiais	3-5		6-12	10

Aplicações de energia solar fotovoltaica

Os sistemas solares fotovoltaicos podem ser instalados em telhados ou podem ser montados no solo. Estes podem ser usinas de energia conectadas à rede ou podem ser sistemas fora da rede. A conexão à rede permite que o excesso de energia produzida seja transferido para a rede e importe energia quando a energia não é gerada porque não há sol. Os sistemas fora da rede trazem eletricidade para áreas remotas. Os sistemas fora da rede também podem ser usados ​​para eletrificações rurais. A energia solar fotovoltaica também pode ser usada para bens de consumo. O esquema de uma usina solar fotovoltaica é mostrado na Fig 1.

Fig 1 Esquema de uma usina solar fotovoltaica

Vantagens da energia solar fotovoltaica

• A luz solar que atinge a superfície da Terra é abundante e tem potencial para se tornar a principal fonte de energia do mundo.
• A energia solar é livre de poluição durante o uso.
• As instalações fotovoltaicas têm vida longa com muito pouca manutenção.
• Os custos operacionais das instalações fotovoltaicas são extremamente baixos.
• A eletricidade solar conectada à rede pode ser usada localmente, reduzindo as perdas de transmissão/distribuição.

Desvantagens da energia solar fotovoltaica

• O investimento inicial é alto.
• Precisa de um grande espaço
• Não há geração de energia quando a luz solar não está disponível
• O tamanho máximo da usina para usinas conectadas à rede é limitado a 10 MW.





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