A energia eléctrica fotovoltaica e o seu armazenamento nos sistemas eléctricos

A energia solar representa um “jazigo” muito importante a nível da superfície do globo terrestre. A cartografia seguinte (figura 2.1) apresenta a radiação solar global anual na Europa. A energia solar chega à superfície terrestre sob a forma de radiação electromagnética sendo uma parte directamente convertida em energia calorífica e uma outra parte em energia química pelas plantas. Esta energia é hoje usada, mesmo que armazenada em energia fóssil ao longo de milhões de anos, para satisfazer as necessidades do homem. A energia solar pode dividir-se essencialmente em dois tipos de energia: luz e calor. Esta energia pode ser convertida em calor com a ajuda de módulos solares térmicos ou electricidade com a ajuda de módulos solares fotovoltaicos, cujo funcionamento é definido nos parágrafos seguintes.

Figura 2.1 - Distribuição geográfica do incidente da radiação solar na superfície de terra

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2.2.1 Os módulos solares fotovoltaicos

Uma célula fotovoltaica composta de materiais semicondutores é capaz de converter a energia de fotões recebidos à sua superfície numa diferença de potencial. Sendo que esta diferença de potencial é criada por uma deslocalização de electrões no material, esta circulação de electrões no circuito externo permite à célula fotovoltaica funcionar como um gerador.

Os módulos solares fotovoltaicos (FV) são constituídos por uma montagem em série ou paralelo de células fotovoltaicas, permitindo ajustar a sua tensão e corrente característica. O rendimento energético de um módulo depende da natureza dos materiais utilizados sendo que os valores geralmente encontrados são de aproximadamente 10% (13 a 14% para as células compostas de silício monocristalino, 11 a 12% com silício policristalino e 7 a 8% com silício amorfo).

Um campo fotovoltaico ou campo solar é constituído por um conjunto de módulos conectados em série e/ou paralelo. Os módulos são protegidos com díodos de derivação (Schottky) a fim de evitar o funcionamento oposto das células que pode provocar sobreaquecimento ou mesmo uma destruição das mesmas. A escolha das características do campo solar depende do ponto de funcionamento requerido pelos componentes associados (baterias, conversores, electrolisador, etc.).

2.2.2 O campo fotovoltaico integrado

Para integrar os módulos ao nível do sistema, ao campo FV pode ser associado um órgão MPPA (Max Power Point Alignment). Este permite ajustar, a cada momento, a potência eléctrica fornecida pelo campo ao seu valor máximo (nas condições de exposição ao sol e temperatura do momento considerado) deslocando o ponto de funcionamento do módulo sobre a sua curva característica.

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Podem ser utilizados dois tipos de conversores eléctricos para a conexão do campo ao sistema no qual é integrado.

O conversor DC/DC (interruptor inversor elevatório ou atenuador de tensão, de acordo com o nível de tensão) permite ligar o campo FV a um fluxo contínuo ao qual vão ligar as diversas máquinas energéticas do sistema: a carga (o utilizador final), as outras fontes de energia (pilhas a combustível, baterias, outras fontes renováveis) ou os periféricos. Permite além disso suavizar as flutuações de tensão dos componentes ao nível do fluxo comum. O inversor (conversor DC/AC) será utilizado quando o campo FV é conectado à rede eléctrica ou nos sistemas que incluem um “Bus” alternativo.

2.2.3 Aplicações e considerações económicas [4]

O custo de um módulo fotovoltaico é cerca de 3 €/Wp [4]. Incluindo os custos de instalação bem como os custos adicionais (electrónico, conversores…), o custo total de um sistema fotovoltaico é cerca de 6 €/Wp. Os construtores garantem geralmente uma duração de vida de 20 anos ou mesmo 30 anos para estes sistemas.

Os fracos rendimentos na conversão eléctrica dos módulos fotovoltaicos implicam geralmente a instalação de grandes superfícies para assegurar a produção de electricidade necessária para a autonomia de um sistema que tenha como principal fonte de energia um gerador FV. O custo elevado dos módulos limita a sua utilização a aplicações específicas que necessitem uma alimentação fiável, tal como os sítios isolados pelos quais a conexão a uma rede de distribuição ou é impossível (porque é inexistente), ou demasiado dispendioso (porque é demasiado afastado).

O contexto energético global de redução das emissões de gases ao efeito de estufa, as directivas europeias sobre a utilização das fontes de energia renováveis e a desregulação do

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mercado de electricidade têm sido ou longo dos anos, alguns dos argumentos sociopolíticos de incentivo à produção descentralizada de electricidade.

Neste quadro, aparecem doravante instalações FV à pequena escala como o equipamento em tectos de habitações individuais ou colectivas. Este conceito de microgeração torna-se progressivamente rentável com o passar dos anos.

As instalações de grande potência, menos numerosas, tendem a multiplicar-se. A maior instalação até ao momento foi inaugurada em Setembro de 2006, em Arnstein na Alemanha: 12 MWp instalado sobre mais de 70 hectares. A capacidade de produção desta fábrica é cerca de 14 GWhe anuais.

Um projecto português, Serpa Solar Power Plant, de uma dimensão comparável (11 MWp em 60 hectares) concluído em Janeiro de 2007.

O sítio de Estufa, na Itália, operacional desde 1990 produz 4,6 GWhe anuais com 3,3 MWp de FV instalados (32000 m2 de módulos, Pp = 105 Wp/m2).

O preço de produção muito elevado dos campos FV é o principal travão económico ao seu desenvolvimento sobre o mercado mundial. As instalações a pequena e média escala constituem um mercado muito importante. São de resto elas que, hoje, mais contribuem para o desenvolvimento das fileiras industriais fotovoltaicas. Em 2009, o crescimento fotovoltaico na Europa foi de cerca de 8.1% em comparação com 2008, com 5485.1 MWp instalados no ano que leva a capacidade total a cerca de 15861,2 MWp [5].

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Figura 2.2 - Grelha de paridade na Europa – 2010 [7]

2.2.4 Conclusão

Finalmente, as vantagens da tecnologia fotovoltaica que contribuem para o favorecimento da sua utilização são:

• o jazigo solar mundial potencialmente importante,

• a sua fiabilidade e o seu vigor (sem peças em movimento), • a sua modularidade (flexibilidade do dimensionamento),

• o seu impacto ambiental quase nulo, excepto reciclagem (nenhuma emissão sonora). Por outro lado, dois inconvenientes essenciais vêm reduzir os benefícios da utilização desta tecnologia:

• a sua fraca potência específica devida a um fraco rendimento de conversão (de grandes superfícies instaladas),

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