Conversão Direta de Energia

A energia solar fotovoltaica (FV) é obtida através da conversão direta da radiação solar em eletricidade. Esse efeito consiste na diferença de potencial produzida nas extremidades da estrutura de um semicondutor, quando este absorve luz. Em 1877 foi concebido o primeiro aparato fotovoltaico desenvolvido a partir do selênio. Somente em 1954 introduziu-se a primeira célula solar moderna, fabricada em silício, que gerava 5 mW com eficiência recorde de 6% (VALLERA et. al, 2006). O efeito fotovoltaico é explicado em maiores detalhes no Anexo C.

Nas décadas de sessenta e setenta, a tecnologia foi impulsionada por aplicações aeroespaciais. No entanto, só houve real interesse em aplicações terrestres após a crise do petróleo em 1973. Por conta da crise e da ameaça de alterações climáticas, as décadas de oitenta e noventa foram marcadas por maiores investimentos e visibilidade por parte da

tecnologia fotovoltaica. Como exemplo disto, poucos anos depois, em 1978, a produção mundial de células solares era superior a 1 MWp/ano (CRESESB, 2013). Em 1982, na Califórnia, construiu-se a primeira grande central solar dos EUA, com capacidade de 1 MWp (VALLERA et. al, 2006). Atualmente a capacidade instalada de FV corresponde a 70 GW; deste total tem-se a figura 2.9 onde são representados os 10 países com maior capacidade instalada de FV, sendo que somente em 2011 foram comercializados mais de 40GW em energia FV (REN21, 2012).

Figura 2.9. Capacidade operacional instalada de sistemas FV em 2011, por país (REN21, 2012).

No Brasil, o que pode ser considerado estímulo ao uso da energia solar fotovoltaica é a isenção de tarifas incidentes sobre equipamentos (ABINEE, 2012). Isto mostra que o país concede abertura à tecnologia, no entanto, sem criar políticas mais agressivas para sua implantação efetiva.

Alguns centros de pesquisa FV foram organizados, porém, a iniciativa destes centros não faz parte de um esforço conjunto e apoiado por políticas governamentais bem definidas e de longo prazo. Por isso, o pouco realizado, até aqui, não foi suficiente para desenvolver um mercado interno, pois a energia FV não tem sido efetivamente apoiada por políticas públicas e regulamentação estrita, muito embora o país já tenha incentivado outras fontes renováveis pelo PROINFA e possua um grande potencial para a aplicação de sistemas fotovoltaicos (JANNUZZI, 2009).

2.2.1. A Geração de Energia Elétrica

Uma planta FV funciona do seguinte modo: a radiação solar é captada por um módulo contendo várias células solares. Os módulos são fabricados em diversos tamanhos, o que interfere diretamente na potência gerada e na eficiência do módulo. Outro componente importante é o inversor de frequência, que é responsável por converter a corrente contínua, gerada pelo módulo, para alternada e é posicionado imédiatamente antes do consumidor, seja a rede ou um equipamento. A bateria é o meio pelo qual se armazena a energia excedente gerada. Por fim, tem-se o controlador de carga, cuja função é proteger a bateria, regulando a entrada e saída de carga. Dentre as aplicações mais comuns estão: iluminação pública e privada, irrigação, indústria aeroespacial, campos solares para produção de energia em grande escala, eletrificação de cercas, etc.

Os sistemas FV existem em duas categorias: conectados à rede ou autônomos. Os sistemas autônomos, por sua vez, podem existir de forma isolada ou híbrida. Uma última subdivisão pode ser feita entre sistemas com ou sem armazenamento de energia. A opção por qualquer alternativa dependerá do tipo de aplicação e da disponibilidade dos recursos energéticos existentes (CRESESB, 2013). A Figura 2.10 contém, de maneira simples, um arranjo FV conectado à rede. Desta maneira, toda a energia gerada está sendo entregue à rede elétrica local.

Figura 2.10. Sistema fotovoltaico conectado à rede (CRESESB, 2013).

Este tipo de arranjo engloba desde poucos quilowatts, em aplicações residenciais, até vários megawatts, em grandes plantas solares de iniciativa pública ou privada. Estes sistemas se diferenciam quanto à forma de conexão à rede, que depende fortemente da legislação local.

Já em uma situação de isolamento com relação à rede, uma fazenda, por exemplo, a necessidade de eletricidade faz com que o sistema FV seja uma boa opção. Utiliza-se então, um sistema autônomo isolado, como na Figura 2.11, que pode ou não ser adaptado a um banco de baterias, com o intuito de se armazenar energia para situações desfavoráveis de geração, seja a falta de luz solar pelo horário do dia ou má condição do tempo.

Figura 2.11. Sistema fotovoltaico isolado (CRESESB, 2013).

Um sistema de irrigação é um exemplo de projeto que, em locais com boa insolação diária e poucos dias nublados no ano, não necessitam de armazenamento, uma vez que, toda a operação pode ser realizada durante o dia (CRESESB, 2013). Já um sistema isolado, projetado para operar o ano todo, deve ser dimensionado para suprir a demanda na pior condição do ano. Deste modo, haverá excesso de produção de energia no período do ano com boas condições de geração. Esta situação pode ser otimizada com a implantação de um sistema híbrido (Figura 2.12).

Figura 2.12. Configuração de um sistema híbrido (CRESESB, 2013).

Os painéis podem ser combinados com algumas fontes de energia, sendo as mais comuns o gerador Diesel ou turbinas eólicas. Este tipo de integração deixa o sistema mais complexo, sendo necessário algum tipo de controle capaz de compor devidamente os vários geradores, entregando a energia de forma segura e estável. A escolha da composição depende dos recursos energéticos existentes, dos recursos financeiros necessários ao investimento, do cálculo correto da potência exigida de cada fonte e da facilidade de se adquirir, instalar e dar manutenção nos equipamentos (VIANA S. F. A. C., 2010).

2.2.2. As Características Construtivas

A célula solar, já descrita, é o bloco básico de construção de um sistema de energia FV. Normalmente, ela possui poucos centímetros quadrados e produz cerca de um watt de potência. Para obter-se quantidade considerável de energia, ligam-se várias células em série e em paralelo, com uma superfície variando, comumente, de alguns centímetros a dois metros quadrados (PATEL, 1999).

O número de células em um módulo depende da tensão e da corrente desejadas. No projeto de um módulo, deve-se dar atenção ao tipo de células que se pretende unir em função das características elétricas das mesmas. A incompatibilidade destas características acaba por reduzir a eficiência dos módulos, pois as células de maior fotocorrente e fotovoltagem dissipam seu excesso de potência nas células de desempenho inferior (CRESESB, 2013).

Atualmente existem diversos tipos de células fotovoltaicas, a Tabela 2.1, apresenta os tipos de materiais mais utilizados, bem como o tipo de estrutura física, eficiência e grau de maturidade da tecnologia – sendo 1, representando uma produção em larga escala; 2, produção em pequena escala e 3, desenvolvimento piloto.

Tabela 2.1. Tecnologia de células fotovoltaicas (SINGH, 2008).

Material Tipo de estrutura Eficiência [%] Grau de maturidade Laboratório Comercial Silício Monocristalino 24,7 14 – 18 1 Silício Policristalino 19,8 13 – 15,5 1

MIS – camada de inversão Monocritalino 17,9 16 2

Célula de concentração Monocritalino 26,8 25 2

Substrato de vidro e silício – 16,6 – 3

Silício amorfo Filme fino 13 8 1

Silício amorfo – 2 camadas Filme fino 13 8,8 2

Silício amorfo – 3 camadas Filme fino 14,6 10,4 1

Gálio-Índio-Fosfato Multijunção 30,3 21 2

Arsenieto de Gálio – – – –

Telureto de Cádmio Filme fino 16,5 10,7 2