Ao longo deste capítulo, pretende-se dar a conhecer os vértices mais importantes da energia solar fotovoltaica, com especial atenção para Portugal.
2.1 - Panorama Fotovoltaico Mundial
Como já fora dito na parte introdutória, a produção de energia fotovoltaica tem vindo a crescer consecutivamente, nomeadamente na última década. Ora, a Figura 2.1 demonstra isso mesmo.
Figura 2.1 - Capacidade mundial e adições anuais de energia solar FV entre 2005 e 2015 (REN21, 2016).
Através da Figura 2.1 constata-se que, de 2005 a 2015, a capacidade mundial instalada subiu dos 5,1 GW para os 227 GW, um aumento de 44,5 vezes. Além disso, é de registar que entre 2012 e 2015 as adições de potência instalada vêm sido cada vez maiores. Por exemplo, no ano passado houve um aumento de 50 GW em relação a 2014 (28,2 %). De acordo com o mais recente relatório “Renewable Energy Policy Network” (REN21), os países que possuem uma capacidade instalada superior são, por ordem decrescente: China (a rondar os 40,4 GW), Alemanha, Japão, Estados Unidos, Itália, Reino Unido, França, Espanha, Índia e Austrália. Realce-se o crescimento da China, Japão e Estados Unidos entre 2014 e 2015, ao registarem adições de 15,2 GW, 11 GW e 7,3 GW, respetivamente. No que respeita à Europa, o destaque vai para o Reino Unido, com uma adição de 3,7 GW (REN21, 2016).
6 2.1.1 – Potencial fotovoltaico em Portugal
Portugal, logo a seguir à Grécia e à Espanha, goza do maior potencial de aproveitamento de energia solar da Europa, com mais de 2300 horas/ano de insolação na região norte, e 3000 horas/ano no sul. Todavia, o aproveitamento da energia fotovoltaica em Portugal, pese embora o seu crescimento percentual, continua a ser francamente reduzido, quando comparado com a utilização das fontes eólica e hídrica (DGEG, 2015; Lobo Solar, 2015).
De modo a concretizar a ideia anterior, a Figura 2.2 revela a evolução da potência instalada em Portugal entre 2006 e 2015, enquanto a Figura 2.3 demonstra a quantidade de energia elétrica produzida por essa mesma potência.
Figura 2.2 - Potência instalada para aproveitamento da energia solar fotovoltaica (DGEG, 2015).
A partir do gráfico 2.2, torna-se evidente um (sucessivo) maior investimento nesta área. Em 9 anos, a potência instalada de energia fotovoltaica aumentou cerca de 145 vezes, passando de um valor de 3 MW para aproximadamente 440 MW.
Figura 2.3 - Energia elétrica produzida anualmente por aproveitamento de energia solar fotovoltaica (DGEG, 2015).
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Relativamente ao gráfico 2.3, este corrobora a proporcionalidade existente entre a potência instalada e a energia produzida. Atualmente, para a potência instalada de 440 MW, é produzido aproximadamente 750 GWh/ano de energia elétrica.
2.2 – Princípio de funcionamento
Nos sistemas fotovoltaicos, a radiação solar é convertida em energia elétrica por intermédio dos chamados semicondutores – tais como: o silício (os mais usados), arseneto de gálio, telureto de cádmio ou disseleneto de cobre e índio - que são configurados em elementos denominados de células fotovoltaicas. Uma vez que cada célula produz uma corrente contínua de intensidade relativamente fraca, procede-se à sua associação para obter, após encapsulamento, um conjunto designado de módulo fotovoltaico. Por sua vez, o agrupamento de módulos, colocados numa mesma estrutura de suporte, forma um painel. Quando incide luz solar com energia suficiente sobre estas estruturas, produz-se uma corrente elétrica, obtendo-se assim energia elétrica utilizável – efeito fotoelétrico (Bai et al., 2016; Chander et al., 2015).
A Figura 2.4 ilustra precisamente a hierarquia exposta no parágrafo anterior: célula; módulo; painel.
Figura 2.4 - Processo hierarquizado de agrupamento: célula, módulo, painel fotovoltaico (Benito, 2011).
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É de enfatizar que os módulos agrupados que constituem o painel podem ser ligados de formas distintas: em série, em paralelo ou de forma mista, de modo a obter diferentes valores de tensão ou corrente. Importa referir também que a potência padrão de um módulo sob condições técnicas varia entre os 10 W e os 250 W, e a sua dimensão entre 0,2 m2 e 1,5 m2, dependendo do número de células acopladas (normalmente 36). Quanto à sua durabilidade, ultrapassa habitualmente os 30 anos (Benito, 2011).
Finalmente, para calcular a energia produzida esperada pela instalação multiplica-se o número de horas de radiação solar pela potência de pico (Pinho e Galdino, 2014).
2.3 - Tecnologias de células fotovoltaicas
Habitualmente, as principais tecnologias aplicadas na produção de células fotovoltaicas são classificadas em três gerações distintas. A primeira geração é dividida em duas cadeias produtivas: silício monocristalino e silício policristalino. Trata-se já de uma tecnologia consolidada e confiável,abrangendo mais de 85% do mercado e registando a melhor eficiência comercialmente disponível (Pinho e Galdino, 2014).
Por sua vez, a segunda geração, comercialmente denominada de filmes finos, é dividida nas seguintes cadeias: silício amorfo, disseleneto de cobre e índio (CIS) ou disseleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). Esta geração apresenta menor eficiência do que a primeira e tem uma modesta participação do mercado, devido a dificuldades associadas à disponibilidade dos materiais, ao tempo de vida útil, e ao rendimento das células (Parida et al., 2011).
Por último, a terceira geração, ainda em fase de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D), testes e produção em pequena escala, é dividida em três cadeias produtivas: célula fotovoltaica multijunção e célula fotovoltaica para concentração (CPV – Concentrated Photovoltaics), células sensibilizadas por corante (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell) e células orgânicas ou poliméricas (OPV – Organic Photovoltaics). Trata-se de uma geração tecnológica promissora, com resultados interessantes em laboratório, mas que perante o custo dos seus materiais ainda está longe de poder ser competitiva no mercado (Pinho e Galdino, 2014).
Feita esta abordagem inicial a cada uma das gerações, segue-se um estudo mais pormenorizado sobre cada tecnologia.
9 2.3.1 - Células monocristalinas
Formadas por silício monocristalino, estas células envolvem técnicas de produção complexas e dispendiosas, onde o material é desoxidado, purificado, solidificado e, posteriormente “laminado”, originando células que atualmente chegam a ter uma espessura de 2000 mícrons (Chander et al., 2015).
No âmbito do mercado, cerca de 60% do mesmo tem na sua composição o silício monocristalino. Devido à sua uniformidade da estrutura molecular, resultante da utilização de um cristal único, estas células tornam-se ideais para potenciar o efeito fotovoltaico, apresentando uma eficiência comercial que pode variar entre os 12% e os 16%. Além disso, albergam um baixo custo de manutenção e uma elevada confiabilidade (Alharbi e Kais, 2015; Chander et al., 2015).
2.3.2 - Células policristalinas
Abrangendo cerca de 30% do mercado, surge o silício policristalino. A sua constituição tem por base inúmeros pequenos cristais com espessura semelhante a um cabelo humano (Cerón et al., 2013).
No que respeita ao seu processo de fabrico, destaca-se o seguinte facto: aquando da fundição do bloco, são formados cristais com várias orientações. Devido a esta descontinuidade, os eletrões têm dificuldade em mover-se e estimulam a recombinação com as lacunas, diminuindo a potência de saída. Portanto, se o processo de fabrico é mais barato quando comparado com o caso anterior, pois envolve uma menor complexidade, também é verdade que estas células são menos eficientes que as monocristalinas - rendimento compreendido entre os 11% e os 13% (Cerón et al., 2013; Miles et al., 2005).
2.3.3 - Células amorfas
As células amorfas (sem forma) não constituem uma estrutura regular de cristal, pois existe um elevado grau de desordem na estrutura dos átomos. São compostas por um suporte de vidro ou de outra matéria sintética, no qual é deposta uma camada fina de silício. Este tipo de células está associado frequentemente a equipamentos eletrónicos, nomeadamente relógios ou calculadoras, apesar de também poderem ser utilizadas em instalações solares. Porém, o rendimento das células amorfas é reduzido (entre os 8% e os 10%), daí que a sua quota de mercado não seja tão expressiva quanto as anteriores.
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Na ótica oposta, as células amorfas têm melhores desempenhos a temperaturas elevadas, visto que reagem mais eficazmente à luz difusa e à luz fluorescente (Parida et al., 2011). Na Figura 2.5 são ilustrados estes três tipos de células, cuja classificação é definida de acordo com o material utilizado no seu fabrico.
Figura 2.5 - Células monocristalinas, policristalinas e amorfas, e respetivos painéis (FF Solar, 2013).
2.3.4 - Células de película fina
As células de película fina (Thin-film Solar Cells) apresentam-se como uma alternativa promissora ao silício. A sua forma celular é idêntica a longas estreitas fitas, provocando elevada resistência ao efeito de sombreamento. Tal facto, pode ser melhor explicado com base num exemplo: enquanto que uma folha de árvore pode cobrir a totalidade da célula cristalina, no caso do painel de película fina, a mesma folha cobrirá várias células simultaneamente, ficando apenas uma parte de cada uma destas células sombreada (Pinho e Galdino, 2014).
Associada a esta vantagem, as células de película fina possuem um aproveitamento superior dos baixos níveis de radiação e de radiações difusas do que as células cristalinas, logo possuem um melhor desempenho para elevadas temperaturas. Esta tecnologia apresenta ainda uma grande flexibilidade (Figura 2.6), custos mais reduzidos e o seu formato não é restringido a tamanhos “standard”. No entanto, já que na interligação interna apenas podem ser ligadas em série células com tamanhos equivalentes, a área elétrica eficaz vem determinada pela maior área retangular possível dentro de uma forma assimétrica (Green et al., 2013).
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A Figura 2.6 ilustra a flexibilidade de um painel fotovoltaico de película fina.
Figura 2.6 – Flexibilidade de um painel fotovoltaico de película fina (Pinho e Galdino, 2014).
Seguidamente, abordar-se-ão os tipos de células de película fina mais utilizados no mercado.
2.3.4.1 - Célula de telureto de cádmio (CdTe)
Estas células apresentam as seguintes características: tipo heterojunção; estrutura homogénea; eficiência a rondar os 8% e um potencial considerável para a redução de custos quando produzida em massa. Todavia, um dos entraves à sua expansão comercial reside na alta toxicidade do cádmio (Green et al., 2013; Monteiro, 2014).
2.3.4.2 - Célula de disseleneto de cobre-índio (CIS)
Formada por selénio, cobre e índio, estas células registam uma excelente eficiência na absorção, baixa deterioração e boa estabilidade quando sujeitas à incidência luminosa. Com um rendimento entre os 7,5% e os 9,5%, estas células produzidas em massa permitem obter baixos custos de investimento, contudo, são bastante vulneráveis a ambientes quentes e húmidos (IEA, 2014).
2.3.4.3 - Célula de disseleneto de cobre-índio-gálio (CIGS)
Difere da célula CIS apenas na ligação índio-gálio que possui, ligação essa que fortalece a sua estrutura e que lhe permite atingir aproximadamente os 12% de eficiência (Green et al., 2013).
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2.3.4.4 – Célula de arseneto de gálio (GaAs)
O GaAs foi um dos primeiros semicondutores utilizados para produzir células solares de filme fino, permitindo obter eficiências superiores a 22%. Porém, as aplicações para estas células tornam-se limitadas, quer pela raridade do gálio, quer pela toxicidade do arsénio. Além disso, estes dispositivos - pese embora a sua notável resistência a irradiação de alta energia - são bastante caros, razão pela qual os tornam “reféns” da tecnologia espacial, em que o custo assume menor relevo (IEA, 2014).
Em jeito de síntese, apresentam-se no Quadro 2.1 as eficiências comerciais dos diferentes tipos de células fotovoltaicas estudadas.
Quadro 2.1 – Eficiência comercial de cada tecnologia fotovoltaica (adaptado de Cerón et al., 2013; Chander et al., 2015).
Tecnologia Material Eficiência comercial
Silício Silício monocristalino 12% - 16% Silício policristalino 11% - 13% Silício amorfo 8% - 10% Filmes Finos CdTe ≈ 8% CIS 7,5% - 9,5% CIGS ≈ 12% GaAs ≈ 22%
2.3.5 - Novas células solares
Como se pode verificar no Quadro 2.1, o setor fotovoltaico atual alberga duas tecnologias principais: por um lado, tem-se o silício que abrange entre 85% e 90% da quota do mercado mundial e, por outro, o filme fino - descoberto mais recentemente - que engloba os restantes 10% a 15%. Contudo, tem havido nos últimos anos inúmeras pesquisas nesta área, cujo intuito passa por aprimorar a eficiência e reduzir o custo das células. Por conseguinte, vêm surgindo tecnologias inovadoras, com distintos materiais e processos de fabrico associados, apesar de ainda se encontrarem em fase experimental. De entre essas novas descobertas, podem-se destacar os seguintes casos:
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desenvolvimento de células solares orgânicas, baseadas na fotossíntese artificial (de algas, bactérias), produzindo energia através da incorporação de matéria orgânica (Bai et al., 2016; Alharbi e Kais, 2015); tecnologias nanocristalinas sensitivizadas com corantes que, graças à sua cor e transparência, podem revolucionar o mercado, nomeadamente quando integradas em edifícios. Note-se que em ambos os casos já foram alcançadas eficiências razoáveis: a rondar os 11% no primeiro exemplo e 12% no segundo (Bai et al., 2016; Pinho e Galdino, 2014).
Por outro lado, num desenvolvimento também muito interessante e recente, encontra-se a célula solar híbrida de perovskitas (CH3NH3PbI3) que tem atraído particular atenção por parte dos investigadores, principalmente nos últimos 4 anos, ao ponto da sua eficiência ter atingido cerca de 18% (Alharbi e Kais, 2015).
Por último, e em grande destaque, surgem as células solares multijunção que apresentam uma eficiência teórica de 44,7%. Este valor deve-se ao facto desta célula solar ser composta por mais (quatro) unidades celulares, comparativamente às células solares convencionais; portanto, é capaz de utilizar uma gama de frequências muito maior no espectro de radiação solar. Em contrapartida, tratam-se ainda de dispositivos proibitivamente caros (Bai et al., 2016; Alharbi e Kais, 2015).
2.4 - Fatores que influenciam o rendimento do painel fotovoltaico
A eficiência dos painéis fotovoltaicos não é sempre constante. Há fatores que provocam a sua diminuição e que devem ser considerados, especialmente a radiação solar, a temperatura da célula e o efeito de sombra (Zaraket et al., 2015).
No entanto, antes de esmiuçar esses fatores, convém compreender em primeira instância a curva Intensidade/Tensão (I/U) que caracteriza uma célula fotovoltaica.
2.4.1- Curva característica
De forma a obter, quer um correto dimensionamento de um sistema fotovoltaico, quer o rendimento máximo possível da instalação, o projetista deve conhecer detalhadamente a as curvas características V-I e V-P (Figura 2.7) de uma célula fotovoltaica (Zaraket et al., 2015).
Da Figura 2.7, importa definir sucintamente as seguintes características elétricas:
➢ ICC: Corrente de curto-circuito que corresponde ao valor máximo de corrente que
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➢ VCA: Tensão em circuito aberto que consiste no valor máximo de tensão que uma
célula pode entregar a uma carga sob condições de potência nula;
➢ IMPP ou Imax: Corrente a máxima potência, isto é, valor de corrente nominal da
célula;
➢ VMPP ou Vmax: Tensão a máxima potência, ou seja, valor de tensão nominal da
célula;
➢ PMPP ou Pmax: trata-se do ponto da curva que corresponde à máxima potência
produzida pela célula - MPP significa Maximum Power Point. O seu valor quantitativo é obtido a partir do produto entre a tensão máxima e a corrente máxima (Borges, 2009 ; Zaraket et al., 2015).
Figura 2.7 - Característica V-I e V-P de uma célula fotovoltaica típica de silício (adaptado de
Zaraket et al., 2015).
Dito isto e apreendidos estes conceitos, importa agora avaliar os tais fatores que afetam o rendimento de um painel solar.
15 2.4.2 - Efeito da radiação
Através da observação da Figura 2.8, é possível entender de que forma a radiação solar interfere nas características elétricas de um painel fotovoltaico.
Figura 2.8 – Representação gráfica do efeito da variação da temperatura nas curvas características (a) corrente – tensão e (b) potência – tensão (adaptado de Guimarães et al.,
2004).
Analisando o gráfico da Figura 2.8, verifica-se que com o aumento da radiação incidente, a tensão de circuito aberto varia de forma desprezável, ao passo que a corrente de curto-circuito aumenta de forma linear (2.8 (a)). Então, pode-se concluir que a potência de saída da célula aumenta quando a intensidade de radiação incidente também aumenta (2.8 (b)). Em suma, o rendimento do painel é tanto maior, quanto maior for a intensidade de radiação solar incidente (Fonseca, 2015; Zaraket et al., 2015)
2.4.3 - Efeito da temperatura
Como já fora mencionado, a temperatura afeta consideravelmente a eficiência das células. Como estas se encontram expostas aos raios solares e não são capazes de converter toda a radiação em energia elétrica, dissipam-na sob a forma de calor e, por isso, o seu aquecimento é inevitável (Chander et al., 2015).
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Ora, este incremento da temperatura das células acarreta consequências nos demais parâmetros fotovoltaicos, tal como a Figura 2.9 demonstra.
Figura 2.9 - Representação gráfica do efeito da variação da temperatura nas curvas características (a) corrente – tensão e (b) potência – tensão para uma radiação constante de
1000W/m2 (adaptado de Guimarães et al., 2004).
Por interpretação do gráfico da Figura 2.9, percebe-se que o parâmetro mais sensível ao aumento de temperatutura é claramente a tensão de circuito aberto que decresce significativamente: apresenta um valor de 25V aos 0ºC e de pouco mais de 16V aos 100ºC. No prisma oposto, a corrente de curto circuito aumenta ligeiramente, sendo frequentemente desprezável. Por consequência, a potência de saída da célula decresce, logo o rendimento do painel também diminui. De facto, o desempenho dos sistemas fotovoltaicos depende bastante da sua temperatura de operação. Todavia, esta redução da eficiência varia consoante a tecnologia. Por exemplo, no caso de painéis cristalinos à base de silício, o rendimento geral diminui entre 0,35-0,8% por cada aumento de 1ºC. Por sua vez, dentre as diversas tecnologias de película fina, esta redução não é tão drástica: varia entre 0,21-0,36% (Bai et al., 2016).
Perante este problema, os investigadores têm realizado algumas experiências, no que concerne a sistemas de refrigeração que permitam solucioná-lo. Entre essas soluções pode-se relevar os permutadores de calor e os ventiladores (Bai et al., 2016). A título exemplificativo, na experiência conjunta realizada pelo investigador Bahaidarah e os seus colaboradores, a temperatura do painel foi reduzida em 20% com um permutador de calor, resultando num aumento de 9% de eficiência (Bahaidarah et al., 2013).
Contudo, estas soluções agravam um outro problema: o já conhecido custo inicial elevado, aquando da implementação dos painéis.
17 2.4.4 – Sombreamento
Se algo tapar o painel solar, de tal modo que uma célula fique totalmente ou parcialmente obscurecida (efeito de sombra provocado por árvores, edifícios, entre outros), esta célula passará a estar inversamente polarizada, atuando como uma carga elétrica e convertendo a energia elétrica em calor. Este calor é dissipado e pode causar sobreaquecimento, danificando o encapsulamento do painel e prejudicando todo o seu desempenho. Por consequência, se a corrente que a atravessa for suficientemente elevada, poderá resultar num fenómeno designado de Hot Spot - Ponto Quente (Bai et al., 2016).
De forma a prevenir a ocorrência de pontos quentes, a corrente deve ser desviada da célula solar através de uma derivação da mesma. Esta derivação da corrente é conseguida através de um díodo de derivação ou by-pass, que impede o aparecimento de tensões inversas elevadas nas células solares (Meral e Dincer, 2011).
A Figura 2.10 ilustra a função dos díodos by-pass, explicada no parágrafo anterior.
Figura 2.10 – Painel sombreado com díodos by-pass (Meral e Dincer, 2011).
Note-se que no caso de células solares ligadas em série, este efeito de sombra tem de ser evitado por todos os meios e sempre que possível, na medida em que mesmo que apenas uma célula solar seja afetada, ela determina a corrente resultante, pondo em causa o rendimento global do painel (Bai et al., 2016).
18 2.5 – Sistemas solares fotovoltaicos
Antes de mais, perante a variabilidade de aplicações da energia fotovoltaica, é usual caracterizar as distintas soluções em três grandes grupos:
✓ Sistemas isolados; ✓ Sistemas híbridos; ✓ Sistemas ligados à rede.
2.5.1 - Sistemas Isolados
Normalmente, os sistemas isolados assumem maior relevância em situações muito específicas, tais como: em locais onde a rede pública de distribuição de energia não existe, seja por razões técnicas e/ou económicas; para aplicações em países subdesenvolvidos, nos quais as infraestruturas elétricas são praticamente nulas. No entanto, também podem estar presentes em aparelhos eletrónicos de pequena escala, como relógios e máquinas de calcular.
Além disso, note-se que estes sistemas são habitualmente divididos em dois subgrupos. Por um lado, num sistema isolado sem armazenamento, com cargas em corrente contínua ou alternada, os recetores consomem de imediato a energia produzida. Apresentam ainda a vantagem de serem mais económicos, pois não necessitam da utilização de baterias, como é o caso de sistemas de bombagem de água. Por seu turno, os sistemas com recurso ao armazenamento necessitam - além das baterias - de um regulador de carga, responsável pelo controlo da carga nas baterias (Greenpro, 2004; Kalogirou, 2009).
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Posto isto, na Figura 2.11 são apresentados alguns exemplos de sistemas isolados fotovoltaicos.
Figura 2.11 - Aplicações de sistemas isolados fotovoltaicos (Guimarães et al., 2004). 2.5.2 - Sistemas híbridos
Sinteticamente, um sistema híbrido consiste na conjugação de um sistema fotovoltaico com outro tipo de sistema de produção de energia, como por exemplo, um sistema com gerador a diesel, ou até mesmo eólico (Figura 2.12). A combinação destes sistemas pode permitir potencializar o aproveitamento energético do local, bem como a diminuição dos painéis fotovoltaicos caso se justifique, tornando a solução mais económica. A estes sistemas está ainda associada uma maior fiabilidade e continuidade, dado que é possível o carregamento das baterias durante o período noturno, contudo, exigem equipamentos com sistemas de controlo mais eficientes, quando comparados com os sistemas isolados(Kalogirou, 2009).
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Ora, na Figura 2.12 estão expostas algumas aplicações de um sistema híbrido.
Figura 2.12 - Aplicações de sistemas híbridos (fotovoltaico-eólico) (Benito, 2011). 2.5.3 - Sistema ligado à rede
Neste tipo de sistemas, toda a energia gerada é entregue instantaneamente à rede pública, não sendo necessária a aplicação de baterias nem de reguladores de carga (Borges, 2009).
Estes sistemas estão normalmente associados aos regimes de produtor-consumidor, ou simplesmente produtor, com venda de energia elétrica às companhias distribuidoras de energia ou em mercados energéticos. Nos casos de produção centralizada, as centrais fotovoltaicas encontram-se habitualmente em áreas desertas e afastadas dos centros urbanos, e por norma a energia é entregue à rede em Média Tensão (MT). Por sua vez,