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ELISANDRA SCUSSEL
UMA ABORDAGEM SOBRE OS PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
FUNCIONAMENTO E APLICAÇÕES DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA A
NÍVEL DE ENSINO MÉDIO E TÉCNICO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao curso de Licenciatura em Física do Instituto
Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio
Grande do Sul, Campus Bento Gonçalves como
requisito parcial à obtenção do título de Licenciada
em Física.
Orientador: Prof. Dr. Alexandre José Bühler
BENTO GONÇALVES, JANEIRO DE 2013.
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ELISANDRA SCUSSEL
UMA ABORDAGEM SOBRE OS PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
FUNCIONAMENTO E APLICAÇÕES DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA A
NÍVEL DE ENSINO MÉDIO E TÉCNICO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao curso de Licenciatura em Física do Instituto
Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio
Grande do Sul, Campus Bento Gonçalves como
parte dos requisitos à obtenção do título de
Licenciada em Física.
Aprovado em janeiro, 2013.
___________________________________________________________________
Prof. Dr. Alexandre José Bühler – Orientador.
___________________________________________________________________
Prof. Dr. José Luis Boldo – IFRS, Câmpus Bento Gonçalves.
___________________________________________________________________
Prof. Dr. Augusto Massashi Horiguti– IFRS, Câmpus Bento Gonçalves.
3
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus pais, irmãos e irmãs pela
dedicação e carinho que sempre recebi, ao meu noivo Rodrigo
pela compreensão de minha ausência e falta de tempo.
4
AGRADECIMENTOS
Agradeço ao professor orientador deste trabalho pelo
apoio recebido, bem como todos os professores desde o início
do Curso e as minhas colegas da turma 2009/1 pelo apoio e
companheirismo prestado nestes anos de graduação.
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"A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltará ao seu tamanho original"
(Albert Einstein)
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SUMÁRIO
A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NOS LIVROS DIDÁTICOS DO ENSINO
MÉDIO ...................................................................................................................... 12
1 CENÁRIO ATUAL DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ................................ 16
1.1 Cenário atual mundial da energia solar fotovoltaica ............................................ 16
1.2 Cenário atual brasileiro da energia solar fotovoltaica .......................................... 22
2 A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ................................................................. 27
2.1 Histórico .............................................................................................................. 27
2.2 Conceitos teóricos ............................................................................................ 28
2.2.1 Efeito fotovoltaico ............................................................................................. 28
2.3 Como é possível gerar eletricidade a partir da luz? ....................................... 30
2.3.1 Curva característica I-V .................................................................................... 33
2.3.2 Variação da curva I-V com a temperatura e irradiância e a curva de potência 34
2.4 Sistemas de energia solar fotovoltaica ........................................................... 35
2.5 Componentes dos sistemas de energia solar fotovoltaica ........................... 37
2.6 Módulos solares fotovoltaicos ......................................................................... 38
2.6.1 Módulos de Células Monocristalinas ................................................................ 39
2.6.2 Módulos de Células Policristalinas ................................................................... 40
2.6.3 Tipos de células fotovoltaicas ........................................................................... 41
2.6.4 Módulos de Filmes Finos .................................................................................. 42
2.7 Sistemas isolados (Off-grid) ............................................................................. 42
2.8 Sistemas conectados (Grid-connected) .......................................................... 43
2.9 Aplicações da Energia Solar Fotovoltaica ...................................................... 44
3 CONCLUSÕES ...................................................................................................... 46
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...................................................................... 47
7
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Países com maior capacidade instalada de energia solar fotovoltaica
conectada à rede.. ..................................................................................................... 19
Tabela 2: Capacidade global anual de energia solar fotovoltaica.. ........................... 19
Tabela 3: Países com maiores adições de energia solar fotovoltaica conectada à
rede.. ......................................................................................................................... 20
Tabela 4 – Potência instalada, localização e ano de entrada em operação das 10
maiores centrais fotovoltaicas do mundo. ................................................................. 20
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Central de energia solar fotovoltaica de Montalto di Castro na Itália......... 21
Figura 2: Central de energia solar fotovoltaica de Sarnia no Canadá. ..................... 21
Figura 3: Central de energia solar fotovoltaica de Neuhardenberg na Alemanha. ... 21
Figura 4: Potência fotovoltaica instalada acumulada no mundo entre os anos de
2000 a 2009. ............................................................................................................. 22
Figura 5: Irradiação média anual em plano horizontal (kWh/m2/dia) ....................... 23
Figura 6: Carta solar do Atlas Solarimétrico Brasileiro que mostra a média das horas
de Sol no território brasileiro ...................................................................................... 24
Figura 7: Célula fotovoltaica.. ................................................................................... 31
Figura 8: Efeito Fotovoltaico na junção PN.. ............................................................ 32
Figura 9: Curva característica (I-V) e curva de potência x tensão (P-V) de um
módulo (m-Si. 36 células) com 130 W de potência e 12 V de tensão nominal. ......... 33
Figura 10: Curvas I-V analíticas relativas a diferentes intensidades de irradiância
para um módulo de 36 células .................................................................................. 35
Figura 11: Curvas I-V de um módulo de 36 células relativas a diferentes
temperaturas e mesma irradiância ............................................................................ 35
Figura 12: Dois exemplos de sistemas fotovoltaicos: (a) instalação no telhado de
uma cervejaria na Suiça; (b) Fachada do parque Solarpark Gams – Suiça.. ............ 36
Figura 13: Célula de silício monocristalino ............................................................... 39
Figura 14: Célula de silício policristalino. ................................................................. 40
Figura 15: Módulo flexível de silício amorfo. ............................................................ 42
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RESUMO
A Energia Solar Fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da
luz em eletricidade, através do efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico, relatado por
Edmond Becquerel, em 1839, é o aparecimento de uma diferença de potencial na
junção de dois materiais semicondutores com características distintas, produzida
pela absorção da luz. A célula fotovoltaica é a unidade fundamental do processo de
conversão. Este trabalho visa a elaboração de um material didático básico sobre os
conceitos e aplicações da energia solar fotovoltaica a serem lecionados em nível de
ensino médio e técnico. Considerada uma fonte eterna de energia, o Sol fornece em
um único dia mais energia que a demanda de todos os habitantes do planeta por
aproximadamente um ano. É nessa perspectiva que é feita uma introdução teórica
dos conceitos envolvidos na conversão da energia solar em energia elétrica. Aborda-
se o funcionamento dos sistemas fotovoltaicos e seus componentes, os módulos e
as células fotovoltaicas, os sistemas isolados e os conectados à rede. O presente
trabalho baseia-se numa revisão bibliográfica referente ao tema da energia solar
fotovoltaica.
PALAVRAS-CHAVE: Efeito fotovoltaico, módulo fotovoltaico, energia
renovável.
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ABSTRACT
The Photovoltaic (PV) Solar Energy is the energy obtained through the direct
conversion of light into electricity by means of the photovoltaic effect. The
photovoltaic effect, reported by Edmond Becquerel in 1839, is the appearance of a
potential difference in the junction of two semiconductors with different properties,
produced by light absorption. The PV cell is the fundamental unit in the conversion
process. This work aims the development of a basic teaching material about the
concepts and applications of PV solar energy to be taught in the levels of secondary
and technical. Considered as an eternal source of energy, the sun provides in a
single day more energy than the demand of all inhabitants of the planet in about a
year. In this perspective it is performed an introduction of the theoretical concepts
concerging the conversion of solar energy into electricity. It also discussed operation
of photovoltaic systems and their components, modules and photovoltaic cells,
isolated and grid connected systems. This work is based on a literature review on the
topic of solar photovoltaics.
Keywords: photovoltaic effect, photovoltaic module, renewable energy.
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INTRODUÇÃO
Assim como a energia eólica e a proveniente das ondas ou das marés, a
energia solar se caracteriza como inesgotável, sendo considerada uma alternativa
energética muito promissora para enfrentar os desafios da expansão da demanda de
energia com menor impacto ambiental.
As aplicações práticas da energia solar podem ser divididas em dois grupos:
energia solar fotovoltaica, que é o processo de aproveitamento da energia solar para
conversão em energia elétrica, utilizando os módulos fotovoltaicos e a energia
térmica (coletores planos e concentradores) relacionada basicamente aos sistemas
de aquecimento de água. Existe ainda a possibilidade da utilização da energia solar
por meio químico, similar ao que ocorre na fotossíntese através das recentes células
orgânicas ou células de corante.
As vantagens da energia solar ficam evidentes, quando os custos ambientais de
extração, geração, transmissão, distribuição e uso final de fontes fósseis de energia
são comparadas à geração por fontes renováveis, como elas são classificadas. A
energia solar fotovoltaica vai desempenhar um papel cada vez mais relevante na
produção de energia elétrica nas próximas décadas.
Nenhuma outra fonte de energia renovável tem experimentado um crescimento
anual na potência instalada no mundo como a energia solar fotovoltaica. Para se ter
uma idéia, no ano de 2000 a potência instalada no mundo era cerca de 1,4 GW. Já
em 2011 foram instalados cerca de 30 GW no mundo inteiro praticamente
alcançando a marca dos 70 GW instalados. No entanto, a viabilidade de sua
penetração em larga escala no mercado da energia depende da evolução das
tecnologias no sentido da redução do seu custo, algo que vem acontecendo
gradualmente nos últimos anos. O momento atual é extremamente interessante,
porque ainda não se vislumbra sequer quais das numerosas tecnologias em
investigação poderão vir a impor-se e nem sequer o material de base está decidido.
No Brasil as principais centrais da ordem de MW começaram a ser instaladas
no ano de 2011. A realidade neste país ainda está muito longe dos patamares
europeus, mas é evidente que o futuro reserva uma fatia considerável da matriz
energética para esta fonte de energia.
12
Levando em consideração os aspectos sucintamente abordados, fica clara a
importância desse tema no cenário mundial e brasileiro atual. Dessa forma surge o
interesse em introduzir alguns conceitos simples sobre a energia solar fotovoltaica
de forma que isto possa despertar o interesse dos alunos de ensino médio e técnico
pelo assunto. Temas atuais como este podem ser responsáveis por despertar no
aluno o interesse em cursos de graduação em áreas de engenharia e tecnologia.
Vale ressaltar que o Brasil se encontra carente de profissionais qualificados nessas
áreas. O objetivo deste trabalho é elaborar um material didático sobre a energia
solar fotovoltaica, aplicações e funcionamento desta tecnologia em um nível de
complexidade condizente com o qual um aluno de ensino médio e técnico possa
compreender.
Inicialmente é realizada uma revisão bibliográfica nos livros didáticos de ensino
médio e técnico referente à energia solar fotovoltaica, onde esta energia renovável
geralmente não é comentada. Em seguida é abordado o cenário atual mundial e
brasileiro da energia solar fotovoltaica, bem como o crescimento desta indústria ao
longo dos últimos anos. Relatam-se as áreas com maior irradiação solar, visto que o
Brasil possui índices de radiação solar altos, demonstrando um imenso potencial
para a energia solar fotovoltaica.
A seguir será apresentada uma análise da revisão bibliográfica realizada em
diversos livros didáticos utilizados no ensino médio.
A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NOS LIVROS DIDÁTICOS DO ENSINO
MÉDIO
Esta revisão está focada em conteúdos relacionados à energia solar
fotovoltaica e dos conceitos básicos envolvendo a conversão da energia solar em
energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico.
Ao fazer uma análise do conteúdo encontrado em livros didáticos do Ensino Médio observa-se que no livro dos autores Aurélio Gonçalves Filho e Carlos Toscano (Gonçalves Filho e Toscano, 2011) no capítulo “Uma teoria para a temperatura e o calor”, na página 150, no final do capítulo encontra-se um texto e interpretação o qual aborda conteúdo sobre o coletor solar:
“A energia solar pode ser aproveitada para o aquecimento da água em residências, antes de seu consumo. (...) No funcionamento do coletor solar, verificam-se os três processos de transferência de energia por diferença de temperatura: irradiação, condução e convecção. Uma
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quantidade de energia que incide por radiação é absorvida pela chapa metálica, que transmite uma parcela desta energia absorvida para a água e uma pequena parte desta energia é refletida para o ar que envolve a chapa. A proporção dessas três parcelas de energia (absorvida, transmitida e refletida) em relação à quantidade total de energia incidente indica a eficiência do coletor. A cor preta na placa metálica facilita a absorção da radiação incidente, mas um bom absorvedor é também um bom emissor. Ou seja, se um objeto escuro absorve grande quantidade de energia, ele emitirá uma grande quantidade. É por essa razão que os radiadores são pintados de preto.”
Observa-se que não é comentado sobre a energia solar fotovoltaica, apenas da
energia térmica. Bem como, ao abordar sobre a cor empregada nas placas
metálicas afirmam que a cor preta facilita a absorção, porém ela maximiza a
absorção.
No livro dos autores Antonio Máximo e Beatriz Alvarenga (Alvarenga e Máximo,
1997 e 2007), no capítulo Trabalho e Energia, verifica-se um comentário onde
apresenta uma figura com a seguinte explicação: “Em um coletor solar, a energia
das radiações provenientes do Sol transforma-se em energia térmica para o
aquecimento da água”. Observa-se que nos dois livros pesquisados dos autores
citados o conteúdo abordado é exatamente o mesmo, não há mudança alguma em
10 anos referente a este tema.
Na Coleção Física em Contextos dos autores Maurício Pietrocola, Alexander
Pogibin, Renata de Andrade e Talita Raquel Romero (Pietrocola et al., 2010) no
capítulo “A energia e suas outras faces”, nas páginas 109 e 110, os autores fazem
uma tabela relacionando os tipos de energias renováveis com as respectivas formas
de obtenção, usos, as vantagens e desvantagens, bem como a ordem de grandeza
das formas de geração de energia. O conteúdo da energia solar é abordado como
energia renovável, sendo a obtenção explicada da seguinte forma:
“lâminas recobertas com material semicondutor, como o silício, são expostas ao sol; a luz excita os elétrons do silício, que formam uma corrente elétrica. A radiação solar também pode ser absorvida por coletores solares que aquecem a água das residências”.
Nota-se que esta explicação está bastante simplificada para alunos do ensino
médio ou técnico.
Ainda, neste livro didático é comentado sobre as vantagens e desvantagens da
utilização da energia solar fotovoltaica, onde consta que ela não é poluente, não
interfere no efeito estufa e não necessita de turbinas ou geradores para a produção
da energia elétrica. Cita como desvantagens a exigência de altos investimentos, dos
14
coletores ocuparem espaços consideravelmente extensos em comparação com a
capacidade energética fornecida e a baixa eficiência.
Os autores Kazuhito e Fuke (Fuke e Kazuhito, 2010), na página 294 do capítulo
Energia Mecânica fazem uma breve explanação sobre a energia solar, onde estes
escrevem que:
“a oferta de energia solar é enorme, chegando à ordem de grandeza de 10
27J. Se essa quantidade toda fosse transformada em energia elétrica,
seria o suficiente para atender uma residência por dezenas de quatrilhões de anos! Em um dia claro a potência incidente do Sol é de 750W em cada metro quadrado. Em países de grande extensão e baixas latitudes como o Brasil, essa energia é facilmente aproveitada em coletores solares e placas fotovoltaicas, que são instalados em telhados ou áreas rurais”.
No texto descrito acima nota-se alguns equívocos por parte dos autores, visto
que em um dia claro a constante solar varia aproximadamente de 1000 W/m² a 1200
W/m² no território brasileiro. O valor citado pelos autores está muito mais de acordo
com a realidade dos países europeus de alta latitude, como a Alemanha, por
exemplo. Outro equívoco grave é em relação à oferta de energia solar que chega a
Terra na ordem de grandeza de 1017J e não na ordem de 1027J como escrito no livro
pelos autores. Ao fazerem a comparação do aproveitamento da quantidade de
energia solar transformada em energia elétrica, pode ser visto que não é um bom
exemplo a ser utilizado, uma vez que poderia ser feita esta comparação levando-se
em conta o consumo mundial, assim o aluno conseguiria visualizar melhor o quanto
de energia é fornecida pelo Sol. Para se ter uma ideia em 2008, o consumo mundial
de energia elétrica foi de 17.436,90 TWh, segundo dados da Energy Information
Administration (EIA, 2011). Tendo em conta esse valor, seriam necessários apenas
cerca de 6 minutos para que chegassem à Terra energia suficiente para suprir toda
a demanda de energia elétrica do mundo no ano de 2008. Este cálculo é
relativamente simples de ser feito bastando para tal que se leve em consideração
que em média chegam a Terra 1362 W/m² provindos do Sol e que a área atingida é
de cerca de 1,28 x 1014 m². Entretanto, cabe ressaltar que o cálculo leva em
consideração toda a radiação que atinge a Terra por unidade de tempo, não
considerando a parte que é refletida pelas nuvens e não atinge o solo ou que é
absorvida alterando o espectro solar.
No livro de Carron e Guimarães (Carron e Guimarães, 2005) observa-se no
tópico Ciência e Tecnologia, na página 268, uma explicação superficial das células
fotovoltaicas com uma breve introdução do funcionamento de uma célula
15
fotovoltaica. Os autores comentam que na busca de alternativas os cientistas se
voltaram para uma fonte de energia que, além de não poluir, é inesgotável, sob
muitos aspectos: a energia solar.
“O aproveitamento da energia solar para a produção de energia elétrica pode ser feito por meio de células fotovoltaicas, que utilizam um material semicondutor, o silício. Basicamente, uma célula fotovoltaica é composta por uma fina camada de material semicondutor do tipo n, depositada sobre uma espessa camada de semicondutor do tipo p. A luz do sol, incidindo sobre a camada p, arranca elétrons que são acelerados por meio da junção pn. Ou seja, com a célula fotovoltaica, a energia solar é transformada em energia elétrica. Essa forma de obtenção de eletricidade ainda apresenta alguns inconvenientes, como as características especiais dos cristais de silício (o que torna o processo mais caro) e o baixo rendimento das células fotovoltaicas (hoje em torno de 15% a 20%). Atualmente, as células fotovoltaicas são muito usadas em satélites, veículos espaciais e em calculadoras de bolso”.
Verifica-se que os autores ao comentarem sobre a junção pn não fazem uma
descrição do que isto significa, deve-se levar em conta de que é necessária uma
breve introdução. Num semicondutor do tipo n existem níveis de energia para os
elétrons perto do topo do gap de energia, e estes elétrons podem ser facilmente
excitados para a banda de condução (átomos de impurezas: com 5 elétrons de
valência). Num semicondutor do tipo p: buracos no fundo do gap de energia
permitem que elétrons de valência sejam excitados para este nível, gerando buracos
extras na banda de valência (átomos de impurezas: com 3 elétrons de valência).
Uma junção pn é formada pela combinação de semicondutores do tipo n e
semicondutores do tipo p dispostos em contato muito próximo. As cargas livres são
originadas próximo a junção, onde existe um campo elétrico que, uma vez existindo
um circuito fechado, origina uma corrente elétrica. A região onde existe o campo é a
própria região de união entre o lado P e o lado N e é chamada de região de
depleção.
Observa-se, ainda, que os autores Carron e Guimarães deixam de exemplificar
as aplicações das células fotovoltaicas na transformação da energia solar
fotovoltaica em energia elétrica, sendo que a tendência mundial para esta energia é
a aplicação em grandes centrais, visto que esta prática passou a ser bastante
vantajosa. Citar como um exemplo e aplicação as calculadoras de bolso é, no
mínimo, uma irresponsabilidade por parte dos autores, pois induz o leitor a acreditar
que a utilização atual das células fotovoltaicas não tem vínculo algum com a
produção de energia. Qualquer curioso que faça uma busca rápida na bibliografia
verá que isto está longe de ser verdadeiro.
16
Conforme a revisão bibliográfica realizada nos livros didáticos citados acima
pode-se verificar que estes possuem comentários superficiais referentes ao tema
estudado. Observa-se que o conteúdo de energia solar sempre é abordado como
curiosidade ou texto extra no final de um capítulo e a energia solar fotovoltaica
geralmente não é comentada. Ressalta-se que em alguns comentários os livros
acabam confundindo a energia solar térmica com a energia solar fotovoltaica.
Embora ambas sejam provenientes da luz solar, essas formas de extração de
energia são completamente diferentes.
1 CENÁRIO ATUAL DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Nesse capítulo será abordado o cenário atual mundial e brasileiro da energia
solar fotovoltaica.
1.1 Cenário atual mundial da energia solar fotovoltaica
O uso de fontes renováveis cresce substancialmente a cada ano, com a energia
solar despontando com os melhores números, sendo uma das indústrias com o mais
acelerado crescimento do mundo na última década. Esta é uma das principais
características do setor de energia solar fotovoltaica global, com o uso de sistemas
conectados a rede crescendo em cerca de 60% a cada ano desde 2005.
Nos últimos anos a energia solar fotovoltaica tem sido vista internacionalmente
como uma tecnologia bastante promissora. Experiências internacionais apresentam
importantes contribuições para análise sobre expansão do mercado, ganhos na
escala de produção e redução de custos para os investidores.
Segundo o relatório Estado Global das Renováveis 2012, produzido pela
REN21( Estado Global das Renováveis, 2012), perto de 30 GW foram adicionados à
capacidade instalada mundial em 2011 (comparado com apenas 17 GW em 2010),
aumentando o total global para 70 GW (98% do total para sistemas conectados à
rede).
A capacidade solar fotovoltaica em operação no fim do ano passado era 10
vezes a de 5 anos atrás, com uma taxa de crescimento anual ultrapassando 58%
para o período de 2006 a 2011. “Muito da nova capacidade instalada foi adicionada
17
em uma onda no final do ano, impulsionada pelo acelerado decréscimo nas tarifas,
iminente fim de políticas e redução dramática dos preços”, afirma o relatório.
Com um total de 51 GW até o fim do ano passado, a Europa responde por
quase 75% da capacidade instalada total do mundo, segundo o estudo. Pela
primeira vez, a energia solar fotovoltaica responde por mais capacidade adicional
que qualquer outra tecnologia para geração elétrica: a energia solar fotovoltaica
representa quase 47% de toda a nova capacidade elétrica da União Européia
instalada em 2011.
Dados da European Photovoltaic Industry Association (EPIA, 2012) mostram
que, considerando os sistemas conectados à rede e os isolados, a produção de
eletricidade solar foi de cerca de 85 TWh ( terra watt hora) em 2011. Mais de 25% da
capacidade de energia solar fotovoltaica global está em usinas de larga escala
(aquelas maiores que 200 kW) que ultrapassaram 5.000 unidades em 2010. A
maioria delas está na Espanha, Alemanha e Estados Unidos.
A Europa ainda mantém a liderança com 80% do total global, sendo o maior
mercado tendo a Alemanha, Espanha e Itália em destaque. Em 2011, pela primeira
vez a Itália ultrapassou a Alemanha como mercado número 1, com 9,3 GW de novos
sistemas conectados a rede. A Alemanha ficou em segundo com 7,5 GW, porém
ainda se mantém como o país com maior capacidade instalada, tendo alternando
nos últimos oito anos entre o primeiro e segundo lugar como principal mercado.
Em 2010, a Alemanha foi a principal responsável pelo crescimento, adicionando
mais geração fotovoltaica que todo o mundo. Desde 2009, a Alemanha tem
praticamente dobrado o volume de novas instalações, fechando 2011 com 24,6 GW
de capacidade instalada. O sucesso alemão se deve a uma combinação de um
esquema de tarifas feed-in, boas oportunidades de financiamento, grande
disponibilidade de empresas de tecnologia fotovoltaica qualificadas e uma boa
compreensão pública sobre a tecnologia.
Líder do mercado em 2008 com 2.600 MW instalados, a Espanha viu mais uma
vez uma queda em 2011, com 372 MW adicionados no ano. Com isso, o país
totaliza 4,4 GW de capacidade instalada. Segundo o EPIA, o declínio desde 2009 se
deve a combinação de complexos procedimentos de registro, o que torna difícil
18
prever quando o projeto será finalizado e aos baixos valores da tarifa prêmio, se
comparado com outros mercados europeus.
A França viu mais de 1,6 GW em novos sistemas conectados no ano passado,
principalmente por causa das instalações feitas em 2010. O novo esquema de apoio
entrou em vigor em março de 2011 e impõe um limite anual no mercado em 500
MW. Isso permite que sistemas com até 100 kW se beneficiem com as tarifas
prêmios, porém para sistemas maiores que isso, a tarifa é extremamente baixa.
Já a limitação do apoio à energia solar fotovoltaica na República Tcheca,
ficando restrita para sistemas de pequeno porte em telhados, fez com que o
mercado fosse visto como “moribundo” pelo EPIA em 2011. Apenas 6MW foram
conectados à rede, em comparação aos quase 1,5 GW adicionados em 2010, que
foram resultados de uma combinação de tarifa feed-in bastante generosa e redução
nos custos dos sistemas.
Apesar da conhecida dependência dos combustíveis fósseis, cresce a cada dia
o interesse dos Estados Unidos por fontes renováveis. Segundo dados da EPIA em
2011, 1,8 GW foram instalados, aumentado a capacidade instalada para 4,3 GW.
Contudo, em termos de políticas de apoio, o governo cancelou o Programa 1603,
tornando o acesso ao financiamento para novos projetos mais difícil. Isso explica em
partes a corrida nos últimos meses de 2011, que irão ser contabilizados em 2012. A
Califórnia ainda lidera o mercado nacional com 30% de participação.
O Canadá, apesar da radiação limitada em comparação com os Estados
Unidos, continuou aumentando as instalações em 2011, com 364 MW adicionados e
crescendo 340% em comparação com 2010 (105 MW). O país acumula 563 MW de
capacidade instalada, segundo a EPIA. Cabe ressaltar que para o tamanho do país
esse número é muito pequeno.
Na Ásia, com o apoio de autoridades locais e do setor privado a tecnologia faz o
Japão manter-se também como um importante mercado. Mesmo antes do acidente
na usina nuclear de Fukushima, em março de 2010, o mercado japonês já crescia
rapidamente, com 990 MW instalados em 2010 e perto de 1,3 GW em 2011, assim
elevado sua capacidade instalada para 4,9 GW.
19
Devido também as metas de aumentar a produção de energia renovável, a
China começa a se estabelecer como um mercado promissor, já sendo o maior
fabricante de células fotovoltaicas no mundo. O Plano Nacional de Energia, lançado
em 2009, prevê que a energia acumulativa instalada no país chegue a 20GW em
2020. Em 2012, a China é oficialmente um mercado multi-gigawatt, diz a EPIA, em
função de diversos programas nacionais e regionais. O governo estabeleceu uma
meta de 5GW para a energia solar fotovoltaica em 2015, com metas de longo prazo
de 20 a 30 GW em 2020. “Mas a realidade já ultrapassou essas metas”, afirma a
EPIA. Em 2011, 2,2 GW foram instalados, com uma capacidade total do país
estando em 3,093 GW. A previsão é que até o final de 2012 o mercado chegue aos
5 GW com um potencial incrível para os próximos anos. A EPIA prevê que em 2016
a capacidade instalada do país seja de 35 GW,com um crescimento anual que pode
chegar a 10 GW.
A tabela 1 apresenta os países com maior capacidade instalada de energia
solar fotovoltaica conectada à rede nos anos de 2008 a 2011:
Tabela 1: Países com maior capacidade instalada de energia solar fotovoltaica conectada à rede.
2008 2009 2011
1 Alemanha Alemanha Alemanha
2 Espanha Espanha Itália
3 Japão Japão Japão
4 Estados Unidos Estados Unidos Espanha
5 Coréia do Sul Itália Estados Unidos
Fonte: REN 21. Renewables 2009 Global Status Report, 2012.
A tabela 2 apresenta a capacidade global anual de energia solar fotovoltaica,
onde a capacidade instalada em 2011 é dez vezes maior que a capacidade instalada
em 2006.
Os países que lideram com a maior adição de energia solar fotovoltaica
conectada à rede são os Europeus, como apresentado na tabela 3.
Tabela 2: Capacidade global anual de energia solar fotovoltaica.
2006 2007 2008 2009 2010 2011
7 GW 9,4 GW 15,7 GW 23,2 GW 40 GW 70GW
Fonte: REN 21. Renewables 2009 Global Status Report, 2012.
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Tabela 3: Países com maiores adições de energia solar fotovoltaica conectada à rede.
2008 2009 2011
1 Espanha Alemanha Itália
2 Alemanha Itália Alemanha
3 Estados Unidos, Coréia do Sul, Japão e Itália Japão China
4 Estados Unidos França
5 República Tcheca Japão
Fonte: REN 21. Renewables 2009 Global Status Report, 2012.
As dez maiores usinas geradoras de energia solar fotovoltaica até o momento
em que este trabalho é escrito são apresentadas na tabela 4:
Tabela 4: Potência instalada, localização e ano de entrada em operação das 10 maiores centrais fotovoltaicas do mundo.
Potência instalada País Localização Em operação
desde
250 MW Estados Unidos Condado de Yuma 2012
214 MW Índia Charanka 2012
145 MW Alemanha Neuhardenberg 2012
128 MW Alemanha Templin 2012
8115 MW França Toul Rosiéres 2012
105,56 MW Ucrânia Perovo 2011
97 MW Canadá Sarnia 2009 e 2010
91 MW Alemanha Briest 2010-2011
84,7 MW Alemanha Finowfurth 2010-2011
84,2 MW Itália Montalto di Castro 2009-2010
Fonte: Pvresources, 2012.
Apresentam-se abaixo nas figuras 1, 2 e 3 algumas das maiores centrais
geradoras de energia solar fotovoltaica.
21
Figura 1: Central de energia solar fotovoltaica de Montalto di Castro na Itália. Fonte: Pvresources, 2012.
Figura 2: Central de energia solar fotovoltaica de Sarnia no Canadá. Fonte: Pvresources, 2012
Figura 3: Central de energia solar fotovoltaica de Neuhardenberg na Alemanha. Fonte: Pvresources, 2012.
Para ressaltar a importância que a energia solar fotovoltaica tem ganhado nos
últimos anos, a figura 4 apresenta a potência fotovoltaica instalada acumulada no
mundo nos anos de 2000 a 2009. Observa-se que os países europeus foram os que
mais investiram no setor.
22
Figura 4: Potência fotovoltaica instalada acumulada no mundo entre os anos de 2000 a 2009. Fonte: EPIA, 2010.
1.2 Cenário atual brasileiro da energia solar fotovoltaica
O potencial de energia fotovoltaica no Brasil é imenso, visto que seus índices
de radiação solar são altos. Atualmente, os governos e as concessionárias de
serviços públicos são os principais investidores, utilizando módulos fotovoltaicos em
sinalização e fiscalização rodoviárias, iluminação pública, telecomunicações e
outros. O projeto federal Luz Para Todos, que visa levar energia elétrica para
comunidades isoladas e carentes, também faz amplo uso da energia fotovoltaica.
Um dos principais obstáculos tem sido o custo de compra e instalação dos
módulos fotovoltaicos, mas com o avanço da tecnologia reduziu-se este custo e
aumentou-se a eficiência. Estima-se que o Brasil possua atualmente cerca de 20MW
de capacidade de geração solar fotovoltaica instalada, em sua grande maioria (99%,
segundo a International Energy Agency (IEA, 2011) destinada ao atendimento de
sistemas isolados e remotos, principalmente em situações em que a extensão da
rede de distribuição não se mostra economicamente viável. Também se observa o
uso destes sistemas em aplicações como suporte a antenas de telefonia celular e
em radares de trânsito.
O Brasil possui características naturais favoráveis, como os altos níveis de
insolação e grandes reservas de quartzo de qualidade que podem gerar importante
23
vantagem competitiva para a produção de silício com alto grau de pureza, células e
módulos solares, produtos estes de alto valor agregado. Tais fatores potencializam a
atração de investidores e o desenvolvimento de um mercado interno, permitindo que
se vislumbre um papel importante na matriz elétrica para este tipo de tecnologia.
Para a grande maioria da população brasileira, energia solar é entendimento de
aquecimento de água. Ainda é pouco conhecida a possibilidade de obter eletricidade
a partir do Sol e muito menos o significado do termo ‘fotovoltaica’. Atualmente a
PUCRS possui um centro de pesquisas para produção de módulos e tem como
objetivo desenvolver dispositivos fotovoltaicos que reduzem o custo da energia
elétrica obtida diretamente da conversão da energia solar e sistemas fotovoltaicos.
Segundo o Atlas de Irradiação Solar no Brasil, diariamente incidem entre 4500
Wh/m2 a 6300 Wh/m2 no país. Como base de comparação, o lugar mais ensolarado
da Alemanha recebe 40% menos radiação solar que o lugar menos ensolarado do
Brasil, que no caso é Florianópolis, Santa Catarina. Pode ser visto na figura 5, a
irradiação média anual mundial enquanto a figura 6 mostra a média das horas de Sol
no território brasileiro.
Figura 5: Irradiação média anual em plano horizontal (kWh/m2/dia). Fonte: NASA, http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/.
24
Figura 6: Carta solar do Atlas Solarimétrico Brasileiro que mostra a média das horas de Sol no território brasileiro. Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil 2010.
Um trabalho complementar (SWERA, 2008) apresenta um mapa do Brasil com
a irradiação direta anual, podendo-se destacar que os maiores valores são
observados no vale do rio São Francisco, na Bahia e na divisa entre os estados de
São Paulo, Paraná e Mato Grosso do Sul. De uma forma geral, a irradiação global é
relativamente bem distribuída pelas regiões do país. Sendo que todo o litoral leste,
do Rio Grande do Sul ao recôncavo baiano, área mais densamente povoada,
apresenta os menores índices de irradiação verificados no país.
A região Nordeste apresenta os maiores valores de irradiação solar global, com
a maior média e a menor variabilidade anual entre as regiões geográficas. Os
valores máximos de irradiação solar no país são observados na região central do
estado da Bahia (6,5 kWh/m²/dia), incluindo parcialmente o noroeste de Minas
Gerais. Há, durante todo o ano, condições climáticas que conferem um regime
estável de baixa nebulosidade e alta incidência de irradiação solar para essa região
semiárida.
25
A região Sul é a que mostra os menores valores de irradiação global média no
Brasil, notadamente na costa norte do estado de Santa Catarina (4,25 kWh/m²/dia),
litoral do Paraná e litoral sul de São Paulo. Além disso, apresenta também a maior
variabilidade média anual. As características de clima temperado e a influência de
massas de ar polares contribuem para o aumento da nebulosidade nessa região,
principalmente durante os meses de inverno.
A irradiação média anual varia entre 1.200 e 2.400kWh/m²/ano, valores que são
significativamente superiores à maioria dos países europeus, cujas estatísticas
indicam intervalos entre 900 e 1.250kWh/m²/ano na Alemanha, entre 900 e
1.650kWh/m²/ano na França e entre 1.200 e 1.850kWh/m²/ano na Espanha. Como
ordem de grandeza do potencial energético solar pode-se estimar que o consumo do
sistema interligado verificado em 2011 seria totalmente atendido com o recobrimento
de uma área de 2.400 km², pouco mais que a metade da área do município de
Salvador, com módulos fotovoltaicos numa região com insolação média da ordem de
1.400 kWh/m²/ano (SWERA, 2008). Este dado não leva em conta a eficiência de
conversão do sistema fotovoltaico.
Apesar destas condições favoráveis, o uso de energia solar ainda não foi
considerado no Plano Nacional de Energia 2030 e apenas oito Centrais Geradoras
Solares Fotovoltaicas apareciam no banco de dados da Agência Nacional de
Energia Elétrica (ANEEL) até fevereiro de 2012. Como o país já possui uma das
matrizes energéticas mais limpas do mundo, a melhor integração da energia solar
fotovoltaica seria como uma fonte complementar, aproximando a geração do
consumo e reduzindo assim perdas com transmissão.
Se nas cidades há vastas áreas sobre as edificações para a instalação de
módulos fotovoltaicos, no meio rural esta fonte energética é a opção mais limpa e
segura para levar eletricidade a comunidades isoladas e de difícil acesso. Além
disso, o Brasil possui uma das maiores reservas de silício do mundo. Isto faz com
que o país seja um local privilegiado para desenvolver uma indústria local de
produção de células fotovoltaicas gerando empregos e retornos em impostos pagos.
Para isso, seria preciso investir em pesquisas para desenvolver um conhecimento
de purificação do silício até o chamado ‘grau solar’ (o valor do grau solar é
99,9999%), que é muito superior ao do silício empregado na siderurgia.
26
O Atlas Brasileiro de Energia Solar apresentou em 2006 um levantamento da
disponibilidade de energia solar no território brasileiro, utilizando um modelo de
transferência radiativa alimentado por dados climatológicos e de 10 anos de
informações extraídas de imagens de satélite geoestacionário e validado por dados
coletados em estações de superfície. O mapeamento do potencial energético solar
apresentado neste documento foi um dos produtos gerados pelo Projeto SWERA
(Solar and Wind Energy Resource Assessment), financiado pelo Programa das
Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA) e co-financiado pelo Fundo Global
para o Meio Ambiente (GEF). O projeto, iniciado em 2001 sob a coordenação da
Divisão de Clima e Meio Ambiente do Centro de Previsão de Tempo e Estudos
Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (DMA/CPTEC/INPE), tem
como foco principal promover o levantamento de uma base de dados confiável e de
alta qualidade visando auxiliar no planejamento e desenvolvimento de políticas
públicas de incentivo a projetos nacionais de energia solar e eólica; e atrair o capital
de investimentos da iniciativa privada para a área de energias renováveis.
A base de dados levantada é compatível com sistemas de informação
geográfica (SIG) e, portanto, pode ser facilmente empregada em estudos de
viabilidade econômica no desenvolvimento de projetos. Os produtos voltados para a
energia solar aplicados ao Brasil foram desenvolvidos através de parceria entre a
DMA/CPTEC/INPE e o Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal de
Santa Catarina (LABSOLAR/UFSC), fazendo uso do modelo de transferência
radiativa BRASIL-SR e de uma base geo-referenciada de dados ambientais e sócio-
econômicos disponibilizados por diversos parceiros nacionais e internacionais e de
distribuição gratuita.
“O Brasil está particularmente bem situado para esse tipo de aplicação
(sistemas fotovoltaicos interligados a rede em áreas urbanas), por causa da
considerável disponibilidade de recurso energético solar, e o alto valor que pode ser
dado a sistemas fotovoltaicos em áreas comerciais de centros urbanos”, afirmam os
autores no Atlas Brasileiro de Energia Solar.
Algumas das principais conclusões do 2º Workshop Inovação para o
Estabelecimento do Setor de Energia Solar Fotovoltaica no Brasil (Inova FV), foram
que nos últimos doze meses houveram avanços significativos no Brasil no setor de
energia solar fotovoltaica, mas ainda há poucas instituições de pesquisa envolvidas,
27
os recursos humanos qualificados são escassos e faltam definições do governo para
fomentar o mercado.
No âmbito governamental, deve-se também destacar o Plano Brasil Maior,
lançado pelo Governo Federal em agosto de 2011, visando orientar políticas de
desenvolvimento industrial que melhorem as condições competitivas do País. Nesse
Plano, a dimensão estruturante das diretrizes setoriais contempla a Cadeia de
Suprimentos em Energia, na qual se prevê o desenvolvimento de fontes renováveis,
abrangendo a energia eólica e solar.
2 A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Este capítulo aborda a história, os conceitos teóricos, o funcionamento e as
aplicações da energia solar fotovoltaica. O texto a seguir é proposto para a inserção
nos livros didáticos de ensino médio e técnico, a fim de proporcionar aos alunos uma
abordagem sobre os princípios básicos de funcionamento e aplicações da energia
solar fotovoltaica.
2.1 Histórico
Descoberta ainda no século XIX pelo físico francês Edmund Bequerel, quando
experimentava o efeito fotovoltaico com dois eletrodos metálicos numa solução
condutora, percebendo o aumento na geração de energia elétrica com a luz, a
tecnologia fotovoltaica passou por vários estágios até chegar ao uso em grande
escala do silício.
Em 1873, Willoughby Smith descobriu o efeito fotovoltaico em sólidos com o
selênio. A produção da primeira célula fotovoltaica neste metal veio quatro anos
mais tarde, com W. G. Adams e R.E. Day.
A primeira célula de silício foi produzida em 1954 nos Laboratórios Bell, em
Murray Hill, Nova Jérsei, Estados Unidos. No ano seguinte começou no mesmo país
a produção de elementos solares fotovoltaicos para aplicação espacial. Daí por
diante esta indústria foi se aprimorando e as placas tornaram-se mais eficientes.
Em 1980 Israel foi o primeiro país a estabelecer uma política pública de energia
solar. Nesta década, a produção mundial ainda era pequena. Em 1983, por exemplo,
28
não passava de 20 MW. Em 1994, aconteceu a primeira Conferência Mundial
Fotovoltaica, no Havaí e o Século XX terminou com pouco mais de 1000 MW em
sistemas instalados no mundo. No final do ano de 2011, entretanto, a capacidade
mundial instalada ficou muito próxima dos 70 GW.
2.2 Conceitos teóricos
Toda energia que recebemos diariamente vem do Sol. Considerada uma fonte
eterna de energia, amplamente disponível e gratuita, o Sol fornece em um único dia,
mais energia que a demanda de todos os habitantes do planeta durante um ano. A
luz solar, fonte de energia essencial para a sobrevivência do planeta, também pode
nos prover eletricidade de forma limpa e renovável.
Tendo em vista os problemas ambientais causados pelos combustíveis fósseis,
as crescentes dificuldades na obtenção de licenciamento ambiental de usinas
hidrelétricas, a redução nos custos de produção dos módulos fotovoltaicos e as
condições extremamente favoráveis de irradiação solar no Brasil, a energia solar se
apresenta como uma fonte bastante interessante a ser explorada, tal como já
acontece na Alemanha, Itália, EUA e Japão, líderes no desenvolvimento e utilização
desta tecnologia.
2.2.1 Efeito fotovoltaico
O termo fotovoltaico é o casamento de duas palavras: foto, que tem sua raiz na
língua grega e significa “luz” e voltaico, que vem de “volt” e é a unidade de medição
do potencial elétrico. Em outras palavras, produção de eletricidade a partir da luz.
Diferentemente do que muitos podem imaginar, os “módulos” vistos hoje em muitos
telhados brasileiros não produzem eletricidade. Eles são na verdade coletores
solares que captam a energia térmica do sol e a usam para aquecimento de água.
Os módulos fotovoltaicos, ao contrário dos coletores solares, utilizam a energia
dispensada pelos fótons (as partículas constituintes da luz) para “empurrar” os
elétrons de um lado para o outro. É essa movimentação de elétrons que gera
eletricidade.
Apesar de existirem meios para transformar a energia térmica solar em energia
elétrica, a utilização da energia fotovoltaica ainda é a forma mais direta para a
29
conversão, além de ser a mais viável para pequenas unidades de geração. A
produção de energia fotovoltaica pode ser facilmente integrada às edificações, o que
viabiliza a aproximação entre geração e consumo de energia elétrica.
Esta forma de produzir eletricidade é ainda pouco comum no Brasil, sendo
aplicada na maioria dos casos em projetos experimentais ligados às Universidades
ou Centros de Pesquisa. Somente em 2011 começaram a ser instalados os projetos
de maior escala no país, o que coloca a ELETROSUL no seleto grupo de pioneiros
na aplicação do que muitos chamam da energia do futuro.
Para compreender melhor o funcionamento da célula fotovoltaica, devemos
entender o conceito de eficiência da conversão - quociente entre a irradiação solar
que incide na área da célula e a energia elétrica que é produzida. Melhorando a
eficiência da célula fotovoltaica, corresponde a afirmar que os sistemas fotovoltaicos
podem tornar-se cada vez mais competitivos relativamente à produção de energia
elétrica com combustíveis fósseis.
As células fotovoltaicas convertem a irradiação solar em eletricidade a partir de
processos que se desenvolvem ao nível atômico nos materiais de que são
constituídas. A verdadeira compreensão deste fenômeno demorou cerca de 100
anos para ser esclarecida, embora o processo de produzir corrente elétrica em meio
contínuo tenha sido relatado desde 1839.
Na natureza existem materiais classificados como semicondutores que se
caracterizam por possuírem bandas de energia denominadas de banda de valência
e banda de condução. Em temperaturas baixas, a primeira é completamente
preenchida por elétrons e a segunda se encontra totalmente "vazia".
A separação permitida entre as duas bandas de energia nos semicondutores é
denominada de "gap” de energia e é da ordem de 1 eV, o que os torna materiais
também condutores, diferentemente dos isolantes onde o “gap” é de vários eV. Isto
faz com que os semicondutores apresentem características interessantes, como o
aumento de sua condutividade com a temperatura devido à excitação de portadores
de carga da banda de valência para a banda de condução. Uma propriedade
fundamental para as células fotovoltaicas é a possibilidade de fótons (pacotes de
energia), na faixa do visível, com energia superior ao “gap” do material, excitarem
30
elétrons à banda de condução. Este efeito, que pode ser observado em
semicondutores intrínsecos ou puros, não garante por si só o funcionamento de
células fotovoltaicas. Sendo assim, é necessária uma estrutura apropriada para que
os elétrons excitados possam ser coletados, gerando conseqüentemente uma
corrente elétrica útil.
Na atualidade, o silício é o semicondutor mais utilizado comercialmente. Seus
átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons de ligação, que se conectam
aos vizinhos formando uma rede cristalina. Ao adicionar átomos com cinco elétrons
de ligação como o fósforo(P), por exemplo, haverá um elétron em excesso que não
poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando", pois está fracamente ligado a seu
átomo de origem. Isto faz que, com um mínimo de energia, este elétron se livre, indo
para a banda de condução. Pode-se dizer que o fósforo é um doador de elétrons o
qual é denominado de dopante n ou impureza n.
2.3 Como é possível gerar eletricidade a partir da luz?
A seguir é mostrada a teoria básica de funcionamento da geração de energia
elétrica a partir da energia solar fotovoltaica.
As células fotovoltaicas são fabricadas com material semicondutor, ou seja, um
material com características intermediárias entre um condutor e um isolante. A partir
de um processo conhecido como dopagem é possível obter um material com
elétrons livres ou com carga negativa, tipo N ou um material com características
inversas, ou seja, falta de elétrons ou carga positiva, tipo P.
A célula fotovoltaica é composta por uma camada de material tipo P justaposta
a uma camada de material tipo N que, ao serem unidas, forma-se um campo elétrico
próximo a junção. Quando ela é exposta à luz, a energia dos fótons da luz do sol
permite que elétrons presentes na camada P consigam passar para a camada N,
criando uma diferença de potencial nas extremidades do semicondutor. Se forem
conectados fios às extremidades e estes forem ligados a uma carga, haverá um
fluxo de corrente elétrica, fazendo os elétrons retornarem para a camada P,
reiniciando o processo.
O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados
semicondutores que se caracterizam pela presença de bandas de energia onde é
31
permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra onde totalmente
“vazia” (banda de condução). O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos
se caracterizam por possuírem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando
uma rede cristalina. Ao adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação, como
o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser
emparelhado e que ficará "sobrando", fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto
faz com que, com pouca energia térmica, este elétron se livre, indo para a banda de
condução. Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de elétrons e
denomina-se dopante N ou impureza N.
Em resumo, a luz do Sol fornece energia para impulsionar os elétrons em um só
sentido, estabelecendo assim, a corrente elétrica. A figura 14 apresenta o corte
transversal de uma célula fotovoltaica e a figura 15 mostra como ocorre o efeito
fotovoltaico na junção positivo negativo:
Figura 7: Célula fotovoltaica. Fonte: CRESESB/CEPEL.
32
Figura 8: Efeito Fotovoltaico na junção PN. Fonte: CRESESB/CEPEL.
Uma célula fotovoltaica normalmente possui níveis baixos de tensão e corrente,
da ordem de 0,7 V e 3 mA/cm2, respectivamente, dados válidos para uma célula de
silício cristalino. Neste caso, várias células são conectadas em série e/ou paralelo
conforme os níveis de tensão e corrente desejados. Estas células interligadas são
montadas numa estrutura apropriada e formam um módulo fotovoltaico.
Para obter o melhor aproveitamento dos módulos é muito importante conhecer
o quanto de irradiação solar incide no local onde se deseja instalá-lo, através de um
estudo dos níveis médios de irradiação solar. Além disso, é preciso verificar qual a
melhor orientação (norte, sul, leste ou oeste) e inclinação dos módulos em relação
ao Sol. Por exemplo, o sistema geraria menos se o módulo fosse instalado virado
para o Sul em uma região onde a maior irradiação seria captada com ele virado para
o Norte. Como regra geral, sistemas instalados no Hemisfério Sul obteriam maior
rendimento se orientados para o Norte a uma inclinação próxima a latitude do local.
Por fim, a energia elétrica gerada em corrente contínua é transformada em
corrente alternada (tipo de corrente que chega até as nossas casas) por um conjunto
de inversores de frequência, podendo ser, então, conectada à rede elétrica. Esses
inversores fornecem energia elétrica dentro de um nível de qualidade adequado e
são responsáveis por permitir que o módulo opere sempre em seu ponto de máxima
33
potência. Além disso, eles garantem que o sistema seja desligado quando a rede
elétrica não estiver energizada, com o objetivo de evitar acidentes.
2.3.1 Curva característica I-V
As células e módulos fotovoltaicos possuem um comportamento elétrico
característico e a determinação da curva característica I-V (corrente versus tensão) é
essencial para a determinação da qualidade do dispositivo além de fornecer os
parâmetros para dimensionamento e estimativa de geração de eletricidade.
Para compor um módulo fotovoltaico são associadas várias células de forma a
se obter as tensões e as correntes desejadas. Os módulos fotovoltaicos podem ser
encontrados comercialmente com tensões que vão desde alguns volts até mais de
300 V. As correntes dependem do tamanho das células e se o módulo possui células
conectadas em paralelo (neste caso a corrente fornecida pelo módulo será igual ao
número de células ligadas em paralelo vezes a corrente de cada célula). Correntes
típica em módulos comerciais variam entre 3 A e 8 A. Potências típicas variam desde
poucos watts até centenas de watts. Se for necessário pode-se associar módulos
em série para se obter tensões maiores. Nesse caso, a tensão fornecida pelo
sistema será igual ao número de módulos ligados em série vezes a tensão de cada
módulo. A característica de saída de corrente x tensão de um módulo fotovoltaico
está representada na curva característica I-V na figura 7:
Figura 9: Curva característica (I-V) e curva de potência x tensão (P-V) de um módulo (36 células
conectadas em série) com 130 W de potência. Fonte: Bühler, 2011.
34
A curva característica de um dispositivo fotovoltaico seja uma célula, um
módulo ou um arranjo (associação de módulos) consiste na representação
matemática do comportamento da corrente elétrica em função da tensão. A
determinação dessa curva é imprescindível na caracterização dos módulos
fotovoltaicos, pois é através dela que se obtêm informações sobre o desempenho
elétrico do gerador fotovoltaico, tais quais:
Corrente de curto-circuito (ISC): Corrente que o dispositivo fotovoltaico fornece
quando seus terminais são interligados por um conector com resistência elétrica
idealmente nula, ou seja, é a corrente equivalente a uma tensão igual a zero.
Tensão de circuito aberto (VOC): Tensão que surge nos terminais de um
dispositivo fotovoltaico quando entre estes terminais existe uma resistência elétrica
idealmente infinita, é a tensão equivalente a uma corrente elétrica igual a zero.
Ponto de máxima potência: É a máxima potência que o dispositivo fotovoltaico
é capaz de fornecer sob uma determinada condição de irradiância e temperatura.
Corrente de máxima potência (VM): É a tensão que surge nos terminais do
dispositivo no ponto de máxima potência.
Fator de forma (FF): É um indicativo importante da qualidade das
propriedades elétricas do módulo. Quanto maior o valor de fator de FF mais
retangular é a curva e, portanto, melhor serão as características elétricas do
dispositivo.
Esta curva é representada matematicamente por uma equação que segue um
modelo físico, mas não é conveniente abordá-la neste capítulo, visto a complexidade
da mesma e por se tratar de conteúdo que exigiria conceitos não abordados no
ensino médio ou técnico.
2.3.2 Variação da curva I-V com a temperatura e irradiância e a curva de
potência
A temperatura é um fator de importante influência na curva característica de
um dispositivo fotovoltaico. A corrente elétrica de curto-circuito, em geral, aumenta
ligeiramente com a temperatura segundo um coeficiente alfa que apresenta valores
35
típicos para o silício. O aumento de corrente é devido a uma diminuição da energia
de gap do material.
Nas figuras 8 e 9 é apresentado o comportamento das curvas I-V analíticas
relativas a diferentes intensidades de irradiância para um módulo de 36 células e
curvas I-V de um módulo de 36 células relativas a diferentes temperaturas e mesma
irradiância, respectivamente.
Figura 10: Curvas I-V analíticas relativas a diferentes intensidades de irradiância para um módulo de 36 células. Fonte: Bühler, 2011.
Figura 11: Curvas I-V de um módulo de 36 células relativas a diferentes temperaturas e mesma irradiância. Fonte: Bühler, 2011.
2.4 Sistemas de energia solar fotovoltaica
Os sistemas fotovoltaicos são capazes de gerar energia elétrica através das
chamadas células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas são feitas de materiais
36
capazes de transformar a radiação solar diretamente em energia elétrica através do
chamado “efeito fotovoltaico”. Hoje, o material mais difundido para este uso é o
silício na forma cristalina e amorfa. Entretanto existem outros materiais que vem
ganhando um espaço muito grande nos últimos anos. Entre esses materiais se
destacam o CdTe (Telureto de cádmio) e o CIS (Disseleneto de cobre e índio).
As células fotovoltaicas podem ser dispostas de diversas formas, sendo a mais
utilizada a montagem de módulos fotovoltaicos. Além dos módulos fotovoltaicos,
também se utilizam filmes flexíveis, com as mesmas características, ou até mesmo a
incorporação das células em outros materiais, como o vidro. As diferentes formas
com que são montadas as células se prestam à adequação do uso, por um lado
maximizando a eficiência e por outro se adequando às possibilidades ou
necessidades arquitetônicas. A figura 10 apresenta dois exemplos de sistemas
fotovoltaicos.
(a) (b)
Figura 12: Dois exemplos de sistemas fotovoltaicos: (a) instalação no telhado de uma cervejaria na Suíça; (b) Fachada do parque Solarpark Gams – Suíça. Fonte: IEA, 2011.
Quanto aos sistemas fotovoltaicos, estes podem ser divididos em dois grandes
grupos: sistemas isolados (off-grid) e sistemas conectados à rede (grid-connected).
Os sistemas isolados são aqueles que não se integram à rede elétrica e geralmente
são utilizados em locais remotos ou onde o custo de acesso a rede é maior que o
custo do próprio sistema. Normalmente estes sistemas utilizam bateria para
armazenar a energia. Já os sistemas conectados à rede servem como qualquer
outra forma de geração de energia que utilizamos a partir da rede elétrica e são
37
utilizados como substitutos destas outras fontes de energia. Neste caso não há
necessidade de armazenamento.
Os sistemas solares fotovoltaicos, principalmente aqueles integrados às
edificações urbanas e interligados ao sistema de distribuição, oferecem diversas
vantagens para o sistema elétricos, muitas das quais relacionadas aos custos
evitados e que ainda não são consideradas ou quantificadas. Abaixo algumas delas:
a) Redução de perdas por transmissão e distribuição de energia, já que a
eletricidade é consumida onde é produzida;
b) Redução de investimentos em linhas de transmissão e distribuição;
c) Edifícios com tecnologia fotovoltaica integrada não exigem área física
dedicada;
d) Edifícios solares fotovoltaicos fornecem os maiores volumes de eletricidade
nos momentos de maior demanda (Ex.: o uso de ar-condicionado é maior ao
meio-dia no Brasil, quando há uma maior incidência solar);
e) Quando distribuídos estrategicamente, os geradores fotovoltaicos oferecem
mínima capacidade ociosa de geração: por sua grande modularidade e curtos
prazos de instalação.
2.5 Componentes dos sistemas de energia solar fotovoltaica
Existem dois tipos básicos de sistemas fotovoltaicos: Sistemas Isolados (Off-
grid) e Sistemas Conectados à Rede (Grid-connected).
Os Sistemas Isolados são utilizados em locais remotos ou onde o custo de se
conectar a rede elétrica é elevado. São utilizados em casas de campo, refúgios,
iluminação, telecomunicações, bombeio de água, etc. Já os Sistemas Conectados à
rede, substituem ou complementam a energia elétrica convencional disponível na
rede elétrica.
Um sistema fotovoltaico possui quatro componentes básicos:
a) Módulos solares – fazem o papel de coração, “bombeando” a energia para o
sistema. Podem ser um ou mais painéis e são dimensionados de acordo com
a energia necessária. São responsáveis por transformar energia solar em
eletricidade;
38
b) Controladores de carga – funcionam como válvulas para o sistema. Servem
para evitar sobrecargas ou descargas exageradas na bateria, aumentando
sua vida útil e desempenho. Só são utilizados em sistemas isolados;
c) Inversores – cérebro do sistema, são responsáveis por transformar a corrente
contínua (CC) fornecida pelo sistema fotovoltaico em corrente alternada (AC),
no valor de tensão desejado. Este dispositivo também pode ser utilizado em
sistemas isolados de forma que os aparelhos que funcionem com corrente
alternada possam ser normalmente utilizados. Os inversores modernos
possuem ainda um dispositivo acoplado chamado de seguidor de máxima
potência. Graças a esse dispositivo o inversos está sempre convertendo uma
quantidade de energia o mais próxima possível do máximo que está
disponível. Para entender melhor essa ideia basta lembrar que a curva de
potência de qualquer célula, módulo ou sistema fotovoltaico possui um ponto
de máximo.
d) Baterias – trabalham como pulmões dos sistemas isolados. Armazenam a
energia elétrica para que o sistema possa ser utilizado quando não há luz
solar.
Enquanto um sistema isolado necessita de baterias e controladores de carga,
sistemas conectados à rede funcionam somente com módulos e inversores, já que
não precisam armazenar energia.
2.6 Módulos solares fotovoltaicos
Os módulos solares geram energia elétrica a partir do sol e de forma muito
simples, sem mecanismos móveis, sem gerar resíduos e sem necessidade de
manutenção. O módulo solar é o principal componente de um sistema de energia
solar e é formado por um conjunto de células solares que geram energia através da
luz do sol.
Existem inúmeras variações de painéis. Há cerca de vinte anos atrás seria
possível dizer que um módulo típico teria aproximadamente 1 m2 e pesaria pouco
mais de 10 Kg. Teria 36 células solares capazes de produzir cerca de 17 volts em
corrente contínua e uma potência de até 135 W. Hoje em dia os modelos geralmente
variam de 5 até 280 W de potencia máxima, dependendo da intenção de uso e
39
tecnologia empregada. Além disso, um sistema pode possuir muitos módulos e
montados de diferentes formas. Dessa maneira, pode-se trabalhar tanto com as
potências como as tensões de saída desejadas.
2.6.1 Módulos de Células Monocristalinas
São mais eficientes e feitos de células monocristalinas de silício. O silício
utilizado deve ter elevada pureza, o que envolve um processo complexo para
fabricar os cristais únicos de cada célula.
As células de silício monocristalino são historicamente as mais usadas e
comercializadas como conversor direto de energia solar em eletricidade e a
tecnologia para sua fabricação é um processo básico muito bem constituído. A
fabricação da célula de silício começa com a extração do cristal de dióxido de silício.
Este material é desoxidado em grandes fornos, purificado e solidificado. Este
processo atinge um grau de pureza em 98 e 99% o que é razoavelmente eficiente
sob o ponto de vista energético e custo. Este silício para funcionar como células
fotovoltaicas necessita de um grau de pureza maior devendo chegar na faixa de
99,9999%.
Dentre as células fotovoltaicas que utilizam o silício como material base, as
monocristalinas são, em geral, as que apresentam as maiores eficiências. As
fotocélulas comerciais obtidas com o processo descrito atingem uma eficiência de
até 15% podendo chegar em 18% em células feitas em laboratórios.
Figura 13: Célula de silício monocristalino. Fonte: CRESESB - CEPEL
40
2.6.2 Módulos de Células Policristalinas
São um pouco menos eficientes que os monocristalinos. Nestes módulos as
células são formadas por diversos e não somente um cristal, dando uma aparência
de vidro quebrado à célula.
As células de silício policristalino são mais baratas que as de silício
monocristalino por exigirem um processo de preparação das células menos rigoroso.
A eficiência, no entanto, cai um pouco em comparação as células de silício
monocristalino. O processo de pureza do silício utilizada na produção das células de
silício policristalino é similar ao processo do silício monocristalino, o que permite
obtenção de níveis de eficiência compatíveis.
O processo de pureza do silício utilizada na produção das células de silício
policristalino é similar ao processo do silício monocristalino, o que permite obtenção
de níveis de eficiência compatíveis. Basicamente, as técnicas de fabricação de
células policristalinas são as mesmas na fabricação das células monocristalinas,
porém com menores rigores de controle. Podem ser preparadas pelo corte de um
lingote, de fitas ou depositando um filme num substrato, tanto por transporte de
vapor como por imersão. Nestes dois últimos casos só o silício policristalino pode ser
obtido. Cada técnica produz cristais com características específicas, incluindo
tamanho, morfologia e concentração de impurezas. Ao longo dos anos, o processo
de fabricação tem alcançado eficiência máxima de 12,5% em escalas industriais.
Figura 14: Célula de silício policristalino. Fonte: CRESESB – CEPEL
41
2.6.3 Tipos de células fotovoltaicas
As células fotovoltaicas são fabricadas, na sua grande maioria, usando o silício
(Si) e podendo ser constituídas de cristais monocristalinos, policristalinos ou de
silício amorfo. No subcapítulo anterior constou uma breve explanação das células de
silício monocristalino e policristalino. Nesta sessão será comentado sobre a célula
de silício amorfo, bem como sua utilização, vantagens e desvantagens.
Uma célula de silício amorfo difere das demais estruturas cristalinas por
apresentar alto grau de desordem na estrutura dos átomos. A utilização de silício
amorfo para uso em fotocélulas tem mostrado grandes vantagens tanto nas
propriedades elétricas quanto no processo de fabricação. Por apresentar uma
absorção da radiação solar na faixa do visível e podendo ser fabricado mediante
deposição de diversos tipos de substratos, o silício amorfo vem se mostrando uma
forte tecnologia para sistemas fotovoltaicos de baixo custo.
Mesmo apresentando um custo reduzido na produção, o uso de silício amorfo
apresenta duas desvantagens: a primeira é a baixa eficiência de conversão
comparada às células mono e policristalinas de silício (normalmente na faixa de 7 a
9% de eficiência em módulos); em segundo, as células são afetadas por um
processo de degradação logo nos primeiros meses de operação, reduzindo assim a
eficiência ao longo da vida útil.
Por outro lado, o silício amorfo apresenta vantagens que compensam as
deficiências acima citados, são elas:
a) processo de fabricação relativamente simples e barato;
b) possibilidade de fabricação de células com grandes áreas;
c) baixo consumo de energia na produção.
A figura 13 apresenta um módulo flexível de silício amorfo.
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Figura 15: Módulo flexível de silício amorfo. Fonte: Unisolar, 2008.
2.6.4 Módulos de Filmes Finos
O material fotovoltaico é depositado diretamente sobre uma superfície, como
metal ou vidro para formar o painel. São mais baratos, porém menos eficientes. A
área disponível pode ser uma restrição, pois a baixa eficiência deve ser compensada
por uma área maior.
A escolha dos tipos e da quantidade de painéis depende das demandas de
uso da energia e do local da instalação do sistema de energia solar. Existem muitos
materiais que têm sido empregados na fabricação de módulos de filmes finos, tais
quais o telureto de cádmio, o disseleneto de cobre e índio ou cobre íngio e gálio e
silício amorfo e microcristalino.
2.7 Sistemas isolados (Off-grid)
Os sistemas isolados ou autônomos para geração de energia solar fotovoltaica
são caracterizados por não se conectar a rede elétrica. O sistema abastece
diretamente os aparelhos que utilizarão a energia e são geralmente construídos com
um propósito local e específico.
Esta solução é bastante utilizada em locais remotos já que muitas vezes é o
modo mais econômico e prático de se obter energia elétrica nestes lugares.
Exemplos de uso são sistemas de bombeamento de água, eletrificação de cercas,
geladeiras para armazenar vacinas, postes de luz, estações replicadoras de sinal,
etc. A energia produzida é armazenada em baterias que garantem o abastecimento
em períodos sem sol.
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Os sistemas isolados de geração de energia solar fotovoltaica, de maneira
simplificada, são compostos de quatro componentes:
a) Módulos solares: são o “coração” do sistema e geram a energia elétrica que
abastece as baterias. Tem a propriedade de transformar a radiação solar em
corrente elétrica contínua. Um sistema pode ter apenas um painel ou vários
painéis interligados entre si;
b) Controladores de carga: são a “válvula do coração” e garantem o correto
abastecimento das baterias evitando sobrecargas e descargas profundas,
aumentando sua vida útil;
c) Inversores: são o “cérebro” do sistema e tem a função de transformar corrente
continua (CC) em corrente alternada (AC), e levar a tensão, por exemplo, de
12V para 127V. Em alguns casos pode ser ligado a outro tipo de gerador ou à
própria rede elétrica para abastecer as baterias;
d) Baterias: são o “pulmão” do sistema e armazenam a energia elétrica para ser
utilizada nos momentos em que o sol não esteja presente e não haja outras
fontes de energia.
2.8 Sistemas conectados (Grid-connected)
Os sistemas fotovoltaicos de conexão à rede são caracterizados por estarem
integrados à rede elétrica que abastece a população. Diferente dos sistemas
isolados que atendem a um propósito específico e local, estes sistemas também são
capazes de abastecer a rede elétrica com energia que pode ser utilizada por
qualquer consumidor da rede.
Os sistemas conectados têm uma grande vantagem com relação aos sistemas
isolados por não utilizarem baterias e controladores de carga. Isso os torna cerca de
30% mais eficientes e também garante que toda a energia seja utilizada, ou
localmente ou em outro ponto da rede.
Sistemas de conexão à rede podem ser utilizados tanto para abastecer uma
residência, ou então simplesmente produzir e injetar a energia na rede elétrica,
assim como uma usina hidroelétrica ou térmica. Do ponto de vista dos componentes,
um sistema fotovoltaico grid-connected é composto por módulos solares e
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inversores. Os inversores grid-connected, além de transformarem a corrente
contínua em alternada, devem sincronizar o sistema com a rede pública na fase e
frequência adequada, que no caso do Brasil é 60 HZ. Pelo sistema estar conectado
à rede, a falta de energia é compensada pela mesma, o que elimina a necessidade
de baterias.
2.9 Aplicações da Energia Solar Fotovoltaica
As principais aplicações da energia solar fotovoltaica são:
a) Iluminação residencial;
b) Iluminação pública;
c) Balizador solar;
d) Telefones de emergência;
e) Telecomunicações;
f) Sistemas para televisão, vídeo, etc.;
g) Cerca eletrificada;
h) Refrigerador e freezer;
i) Sinalização marítima;
j) Sinalização de torres;
k) Sinalização de estradas;
l) Sistemas de emergência para 4 horas de energia ininterruptas;
m) Ferrovias;
n) Sistemas conectados à rede;
o) Geladeira de vacinas.
Pode-se citar como benefícios do sistema de energia solar fotovoltaica por esta
ser uma fonte de energia alternativa e renovável que emprega a luz solar, de energia
limpa, silenciosa e inesgotável. Possui um sistema não poluente, pois não interfere
diretamente no meio ambiente. Facilidade no atendimento a locais remotos e de
difícil acesso, em pequena escala, evitando investimentos em linhas de transmissão
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e distribuição de energia. Esta energia gerada pode ser acumulada em baterias.
Possui sistema autônomo, sustentável e independente, baixa manutenção e alta
durabilidade do sistema, pode ser conectado à rede elétrica e pode ser ampliado
conforme a necessidade (modularidade).
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3 CONCLUSÕES
Estamos em um momento em que a preocupação com o meio ambiente cresce
e define novos padrões. Nunca se ouviu falar tanto em sustentabilidade, energias
renováveis e meio ambiente como nestes últimos anos. Com o progresso
tecnológico a preocupação em aumentar as capacidades de geração de energia são
um desafio para os países que buscam o crescimento econômico. Em países
europeus como Alemanha, Inglaterra, Portugal e Espanha, o programa de apoio
para residências geradoras de energia por meio de módulos fotovoltaicos tem dado
frutos e o crescimento de casas com este sistema de geração de energia cresce a
cada ano.
Conclui-se que no Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente
todo o território. Temos um dos maiores índices de insolação anual do mundo, o que
reflete em uma alta capacidade de geração de energia solar.
Justifica-se dessa forma, levando ainda em conta o grande avanço da
tecnologia e a busca cada vez maior por fontes de energias renováveis, a
necessidade de inserir o estudo referente a energia solar fotovoltaica abordando o
funcionamento e aplicações nos livros didáticos de ensino médio ou técnico. Como
proposta inclui-se esse tema nos livros didáticos do terceiro ano do Ensino Médio ou
Técnico, como capítulo extra no final do livro, visto que diversos conteúdos
abordados ao longo dos três anos de física são necessários para uma correta
compreensão do efeito fotovoltaico.
Por fim, cabe ressaltar que ao longo da revisão bibliográfica nos livros de
ensino médio de física, constatou-se que, atualmente dá-se pouca importância as
fontes de energias renováveis, e ainda menos no que diz respeito à energia solar
fotovoltaica.
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