TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

A unidade básica que produz eletricidade em um sistema fotovoltaico de geração de energia é a célula fotovoltaica, ou célula solar. Podem ser feitas células solares de uma variedade de materiais diferentes, porém, a célula solar de silício é a mais comum, bem desenvolvida e prontamente disponível.

O silício é um semicondutor de estado sólido que produz eletricidade em corrente contínua quando estimulado através de fótons. Os três tipos disponíveis de células solares de silício são: a célula de cristal único, a célula policristalina e a célula de película fina ou amorfa. Cada tipo de célula solar é apresentado nas figuras seguintes.

FIGURA 14 - CÉLULA SOLAR DE CRISTAL ÚNICO FONTE: GREENPRO (2004)

FIGURA 15 - CÉLULA SOLAR POLICRISTALINA FONTE: GREENPRO (2004)

FIGURA 16 - CÉLULA SOLAR AMORFA FONTE: GREENPRO (2004)

Destes três tipos, a célula de cristal único é a mais eficiente na conversão de energia, por área de superfície exposta. A policristalina é a segunda mais eficiente, e a amorfa é a menos eficiente do grupo. As células de cristal único são as mais caras, a policristalina vem em seguida, já apresentando viabilidade comercial e a amorfa é a mais barata das três.

Na prática, as células policristalinas são ligeiramente menos eficientes do que as células de cristal único e as células do tipo amorfas apresentam metade da eficiência das células de cristal único, aproximadamente, para uma mesma área exposta. Embora as células amorfas sejam uma alternativa de menor custo entre os três tipos, elas não têm um bom rendimento para a produção de hidrogênio (HURLEY; GREENPRO, 2004).

2.3.4.2 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO

Basicamente, uma célula solar é uma lâmina semicondutora de grande área, contendo em seu interior regiões de carga espacial que dão origem a um campo elétrico, sendo este responsável pela separação do par elétron-lacuna. A energia do fóton é responsável pela criação deste par. Quando elétrons e lacunas são separados, através do campo elétrico, uma corrente elétrica é obtida.

Os átomos dos sólidos cristalinos, ou semicondutores, possuem um arranjo periódico, o que modifica os níveis energéticos dos elétrons pertencentes às camadas mais externas. Nos semicondutores, verificam-se ainda a presença de

bandas de energia eletrônica permitida e bandas de energia eletrônica proibida. Na prática, trabalha-se com as bandas cujos elétrons são menos ligados ao núcleo.

A banda de valência, por corresponder a um nível menos energético, conterá normalmente a maioria dos elétrons que, se excitados com energia suficiente para superar a banda proibida, alcançarão a banda de condução deixando na banda de valência vestígios de sua ausência chamados de lacunas.

A largura da banda proibida é um parâmetro que caracteriza cada semicondutor e seu valor corresponde à diferença energética entre as bandas de condução e valência. Essa diferença é denominada de energia de gap do semicondutor, definida como a mínima energia a ser absorvida pelo elétron para deixá-lo no estado excitado. Gap é o nome mais usual dado ao espaço vazio entre as bandas de energia, ou seja, corresponde a uma lacuna.

O valor da energia de gap do silício é de 1,1 eV. Este valor corresponde à energia dos fótons do infravermelho próximo. Fótons com energia maior ou igual à energia de gap do semicondutor serão capazes de excitar os elétrons. Por sua vez, estes alcançarão as bandas de condução tornando possível a obtenção de uma corrente elétrica. Haverá perdas sob forma de calor, caso os fótons possuam uma quantidade de energia maior que a energia de gap do semicondutor. O total de perdas no silício corresponde a aproximadamente 30% da energia luminosa total aplicada (RIBAS, 2005; HALLIDAY; RESNICK; WALKER, 1995).

2.3.4.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS

Cada célula solar, independente das suas dimensões, apresenta um potencial em torno de 0,5 V, pouco mais ou pouco menos, dependendo da célula. As dimensões influem apenas na corrente elétrica. Por exemplo, quanto maior a área da superfície da célula solar, maior é a corrente elétrica que pode ser obtida, entretanto, o potencial permanece invariável. Na construção de um ESPM (Electrolyser Specific Photovoltaic Module), que significa Módulo Fotovoltaico Específico para Eletrolisador, com o objetivo de economizar tempo e trabalho, são utilizadas células solares de grandes dimensões.

Os fatores que afetam a eficiência de uma célula solar são as características físicas, de acordo com os processos tecnológicos de fabricação, o nível de radiação

incidente e a temperatura. A intensidade de luz incidente em uma célula solar variará devido a particularidades como a umidade do ar, eventuais nuvens, variações do ângulo de incidência de luz devidas à posição variável do sol, e outras. Em relação à temperatura, quando esta aumenta, há uma redução na eficiência das células. A potência elétrica fornecida pelo painel fotovoltaico, constituído de arranjos de células solares, também será afetada por estes fatores.

A eficiência da transformação fotovoltaica (η) é definida como a razão entre a potência elétrica máxima fornecida, pela irradiação incidente sobre o painel, de acordo com a equação seguinte (HURLEY; GREENPRO, 2004):

I A P_MAX . = η (41) onde

PMAX - potência elétrica no ponto de máximo fornecimento do painel [W];

A - área efetivamente ocupada pelo material semicondutor [m2];

I - intensidade da irradiação luminosa incidente sobre esta área [lm/m2].

2.3.4.4 ELEMENTOS DE CONSTRUÇÃO

Embora não seja sempre o caso, em uma célula solar a superfície frontal é negativa e o lado oposto é positivo. É necessário conectar células fotovoltaicas em série ou em paralelo para aumentar a geração de energia elétrica. Uma célula solar possui uma tensão de trabalho muito pequena, o que faz necessário o uso de arranjos em série e paralelo para obter tensões e correntes adequadas às finalidades destinadas.

Quando as células estiverem conectadas em série, o terminal negativo da célula estará conectado com o terminal positivo da próxima célula. Neste tipo de conexão soma-se a tensão de cada célula. Para ligação em paralelo, os terminais negativos, correspondentes às faces frontais das células, são interligados, fazendo- se o mesmo para os terminais negativos, correspondentes às faces traseiras. Com este arranjo, a tensão permanece a mesma e as correntes são somadas.

A conexão de duas ou mais células forma uma seqüência. Uma seqüência de células solares pode ser conectada em série ou em paralelo com outra seqüência. Os painéis fotovoltaicos são constituídos por conjuntos destes arranjos, ou seqüências. Os painéis fotovoltaicos também podem ser agrupados em série ou em paralelo, formando diferentes arranjos, de acordo com as necessidades. A figura seguinte apresenta um destes arranjos (HURLEY; GREENPRO, 2004).

FIGURA 17 - ARRANJO DE CÉLULAS SOLARES EM PARALELO FONTE: HURLEY (2004)

2.3.4.5 TAREFAS ESPECÍFICAS

Todos os painéis fotovoltaicos são classificados de acordo com a sua função específica. Isto significa que todo painel fotovoltaico é projetado para executar uma tarefa particular. A maioria dos painéis fotovoltaicos vendidos comercialmente é do tipo BSPM (Battery Specific Photovoltaic Module), que significa módulo fotovoltaico específico para bateria. São projetados para carregar apenas sistemas de baterias. Estes painéis fornecem tensões de 12 V, 24 V e 48 V. Os valores de corrente variam entre 2 A e 10 A.

Para suprir exclusivamente as exigências de energia dos sistemas de eletrolisadores utiliza-se o ESPM, comentado anteriormente, projetado para este fim. Para esta aplicação em particular, este tipo de painel fotovoltaico produz energia de forma mais eficiente e econômica.

O BSPM produz tensões mais altas e correntes mais baixas e o ESPM produz correntes mais altas e tensões mais baixas. O BSPM também pode ser usado de forma eficaz caso seja utilizado para fornecer energia a um banco de eletrolisadores, ao invés de apenas um. Por exemplo, dois BSPM conectados em

paralelo fornecerão energia suficiente para alimentar três eletrolisadores conectados em série. Para obter maior valor de corrente seria necessário acrescentar painéis ligados em paralelo (HURLEY, 2004).

2.4 ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO

Uma que vez o hidrogênio é produzido, o mesmo pode ser armazenado de vários modos, cada um com vantagens e desvantagens específicas. Os critérios globais para escolher um método de armazenamento consideram fatores como segurança e facilidade de utilização. A figura 18, de forma a melhor ilustrar o assunto, apresenta uma estação de armazenamento de hidrogênio em Hamburg, na Alemanha.

FIGURA 18 - ESTAÇÃO DE ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO EM HAMBURG FONTE: NORBECK (2003)

Os diferentes métodos de armazenamento de hidrogênio disponíveis atualmente são (FUEL CELL STORE, 2006):

• hidretos metálicos; • hidrogênio comprimido; • hidrogênio líquido;

• nanotubos de carbono; • micro-esferas de vidro;

• portador líquido de hidrogênio.

2.4.1 HIDRETOS METÁLICOS

Os hidretos metálicos são combinações específicas de ligas metálicas cujo funcionamento é semelhante a uma esponja que absorve a água. Hidretos metálicos têm a capacidade de absorver hidrogênio e liberá-lo posteriormente, a temperatura ambiente ou por aquecimento do cilindro em que está contido. O total de hidrogênio absorvido é geralmente entre 1% a 2% do peso total do recipiente. Alguns hidretos metálicos são capazes de armazenar entre 5% a 7% do próprio peso deles, mas só quando aquecidos a temperaturas iguais ou maiores que 250 °C. A percentagem de gás absorvida, relativamente ao volume do metal, ainda é baixa, porém, os hidretos metálicos oferecem uma valiosa solução para o armazenamento de hidrogênio.

Os hidretos metálicos oferecem a vantagem de armazenar hidrogênio com segurança, a uma pressão constante. A vida útil de um tanque de hidretos metálicos está diretamente ligada à pureza do hidrogênio armazenando. As ligas agem como uma esponja que absorvem hidrogênio e ainda absorvem as impurezas introduzidas no tanque, ao armazenar o hidrogênio. O resultado é que ao se utilizar o hidrogênio do tanque, o mesmo apresenta maior pureza do que quando foi armazenado, porém, a vida útil do tanque e sua capacidade de armazenamento ficam reduzidas com as impurezas depositadas que preencherá os espaços do metal que o hidrogênio ocupou (FUEL CELL STORE, 2006).

2.4.2 HIDROGÊNIO COMPRIMIDO

O hidrogênio pode ser comprimido em tanques de alta pressão. Este processo exige energia para ser realizado e o volume que o gás compactado ocupa é normalmente bastante grande, com uma densidade de energia por volume mais baixa quando comparado a um tanque de gasolina tradicional. Um tanque de gás de

hidrogênio que contém uma quantidade de energia equivalente a um tanque de gasolina, é mais de 3000 vezes maior que o tanque de gasolina.

Compactar ou liquefazer o gás é caro. O hidrogênio pode ser compactado em tanques de alta pressão onde cada pé cúbico adicional comprimido no mesmo espaço requer um aumento de pressão de 14,7 psi. Tanques de alta pressão alcançam uma pressão de 10000 psi, devendo ser testados periodicamente serem fiscalizados por questões de segurança (NORBECK, 2003; GOMES NETO, 2005).

2.4.3 HIDROGÊNIO LÍQUIDO

É possível obter hidrogênio no estado líquido a temperaturas extremamente baixas. O hidrogênio líquido tem que ser armazenado a 20 K ou -253 °C. O processo de resfriamento e compactação requer energia, resultando em um prejuízo líquido de aproximadamente 30% da energia total que o hidrogênio poderia armazenar. Os tanques de armazenamento, ou cilindros de armazenamento, são isolados termicamente para preservar a temperatura e são reforçados para armazenar o hidrogênio líquido em baixa de pressão.

A margem de segurança relativa ao armazenamento de hidrogênio líquido é uma questão de manter a integridade do tanque e preservar as temperaturas que o hidrogênio líquido requer. A energia requerida no processo de liquefação do hidrogênio e armazenamento nos tanques é um processo que se torna muito caro quando comparado com outros métodos. Pesquisas no ramo de armazenamento do hidrogênio líquido estão direcionadas ao desenvolvimento de tanques feitos de materiais compostos, resultando em maior resistência mecânica e menos peso. Há também pesquisas que propõe melhorias nos processos de liquefação do hidrogênio (NORBECK, 2003; FUEL CELL STORE, 2006).