ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Definições - PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY

A energia solar pode ser transformada diretamente em eletricidade utilizando-se células solares fotovoltaicas, desenvolvidas com base no aproveitamento do efeito fotovoltaico. Na natureza, existem materiais classificados como semicondutores, que se caracterizam por possuir uma banda de valência totalmente preenchida de elétrons e uma banda de condução vazia a temperaturas muito baixas.

Os materiais semicondutores possuem a características de permitir, por meio de excitação térmica, a passagem de portadores elétricos da banda de valência para a de condução, desde que a energia fornecida supere a diferença energética entre as bandas, o gap. Uma propriedade fundamental para as células fotovoltaicas é a possibilidade de os fótons, na faixa do visível, com energia superior ao gap do material, permitirem o encaminhamento de elétrons à banda de condução.

Esse efeito, que pode ser observado em semicondutores puros, também denominados de intrínsecos, não garante por si só o funcionamento de células fotovoltaicas. Para obtê-las, é necessária uma estrutura apropriada para que os elétrons excitados possam ser coletados, gerando uma corrente útil. Para isso, são acrescentados aos átomos de silício, átomos de fósforo e boro em um processo conhecido como dopagem do silício, formando uma junção pn.

Quando uma junção pn fica exposta a fótons com energia maior que o gap presente entre as bandas de valência e de condução, ocorrerá a geração de pares elétrons - lacuna; se isso acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando, assim, uma corrente através da junção; esse deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial elétrica, que chamamos de efeito fotovoltaico.

Eficiência de conversão dos Módulos Fotovoltaicos

A questão da eficiência de conversão e do custo do material, e ainda do grande conhecimento adquirido pela teoria física, tem impulsionado a pesquisa de células solares produzidas com materiais diferentes do silício mono cristalino, considerado nos desenvolvimentos iniciais.

Atualmente, são estudados e mesmo utilizados o silício poli cristalino e amorfo, o arseneto de gálio e o sulfeto de cádmio, entre outros. No entanto, o conhecimento da tecnologia que emprega o silício, em particular o mono cristalino, e a abundância da matéria prima que lhe dá origem têm sido as razões mais importantes que tornaram o silício o material predominante no processo de desenvolvimento tecnológico.

Módulo Solar Fotovoltaico Policristalino

Devido ao seu custo ainda elevado (mas decrescendo rapidamente), em seu atual estado de desenvolvimento, essa tecnologia só encontra viabilidade econômica em aplicações de pequeno porte, como em sistemas rurais isolados (iluminação, bombeamento de água, etc.), serviços profissionais (retransmissores de sinais, aplicações marítimas) e produtos de consumo (relógio, calculadoras).

No entanto, sabe-se que o mercado fotovoltaico é ainda uma fração do que poderia ser, visto que existe uma parcela significativa da população mundial, cerca de 2 bilhões de habitantes, ou 33% da população, localizada principalmente nas áreas rurais, que não tem acesso à eletricidade.

Módulo Fotovoltaico Monocristalino

Estudos realizados nos últimos anos afirmam que há um aumento da eficiência dos módulos e uma diminuição considerável dos custos de produção, sinalizando boas perspectivas futuras, inclusive para aplicações de maior porte.

Esse futuro depende também do aumento das pressões mundiais para a utilização de fontes energéticas renováveis e limpas, e a continuidade da linha de pensamento governamental dos países industrializados que buscam uma diversificação das fontes de suprimento energético.

Com relação às aplicações de um sistema fotovoltaico, podem ser considerados sistemas autônomos isolados e híbridos e sistemas conectados à rede elétrica.

• Sistemas autônomos isolados

Definição: Este é um sistema puramente fotovoltaico, não conectado à rede elétrica de distribuição. Dentre os sistemas isolados, existem muitas configurações possíveis. As mais comuns são:

Carga CC (Corrente Contínua) sem armazenamento - a energia elétrica é usada no momento da geração por equipamentos que operam em corrente contínua.

Carga CC com armazenamento – é o caso em que se deseja utilizar equipamentos elétricos, em corrente contínua, independente de haver ou não geração fotovoltaica simultânea. Para que isso seja possível, a energia elétrica deverá estar armazenada em baterias.

Carga CA (Corrente Alternada) sem armazenamento – da mesma forma como apresentado para o caso CC, pode – se usar equipamentos que operem em corrente alternada sem o uso de baterias, necessitando, para isso, a introdução de um equipamento eletrônico inversor entre o arranjo fotovoltaico e o equipamento a ser usado.

Carga CA com armazenamento – para a alimentação de equipamentos que operem em corrente alternada é necessário que se utilize um inversor. Um caso típico de aplicação desses sistemas é no atendimento de residências isoladas, que, por possuírem um nível de conforto superior àquelas alimentadas em corrente contínua, permitem o uso de eletrodomésticos convencionais, que operam em corrente alternada.

• Sistemas autônomos híbridos

São sistemas nos quais a configuração não se restringe apenas à geração fotovoltaica. Em outras palavras, são sistemas em que, estando isolados da rede elétrica, existe mais de uma forma de geração de energia, como um sistema formado por um gerador diesel, turbinas eólicas e módulos fotovoltaicos. Esses sistemas são mais complexos e necessitam de algum tipo de controle capaz de integrar os vários geradores, de forma a otimizar a operação para o usuário.

• Sistemas conectados à rede elétrica

São basicamente de um único tipo no qual o arranjo fotovoltaico representa uma fonte complementar ao sistema elétrico de grande porte ao qual encontra-se conectado. São sistemas que não utilizam armazenamento de energia, pois toda a potência gerada é entregue à rede instantaneamente. As potências instaladas vão desde poucos kWp, em instalações residenciais, até alguns MWp, em grandes sistemas operados por empresas. Esses sistemas se diferenciam quanto a forma de conexão à rede.

Outras aplicações de Células Fotovoltaicas

Aplicações em produtos de consumo em massa – essa aplicação abarca sistemas com baixa potência instalada, em geral, menores que 10 Wp. Pode-se destacar como principais produtos: calculadoras, relógios, lanternas e rádios portáteis. 

Aplicações profissionais – responsáveis por uma significativa parcela do mercado de células fotovoltaicas. Pode-se destacar como principais os sistemas de telecomunicações (rádios, telefones remotos, estações repetidoras), a sinalização marítima, as cercas eletrificadas, entre outros.

Embora o custo de um sistema fotovoltaico ainda esteja elevado, ele vem decrescendo ao longo dos últimos anos. Os avanços tecnológicos que promovem um aumento na eficiência de conversão energética e as melhorias nos métodos de produção industriais são os grandes responsáveis pela diminuição nos preços dos módulos fotovoltaicos. Mesmo com os preços atuais, a tecnologia fotovoltaica já se mostra competitiva em algumas aplicações específicas, como a iluminação de residências de baixo consumo em localidades remotas, o bombeamento de água em locais remotos, as torres de repetição de sinais, entre outros.

Se os preços diminuírem significativamente, por volta de uns 50% em relação aos preços atuais, a tecnologia fotovoltaica será capaz de competir economicamente com as fontes convencionais em várias aplicações. A queda nos preços dependerá não apenas da evolução tecnológica, mas também do aumento do mercado, que poderá se conseguido por meio de incentivos governamentais e de esclarecimento ao consumidor sobre o funcionamento e os benefícios da tecnologia.