UNIVERSIDADE FEDERAL DE
SÃO JOÃO DEL-REI
ENERGIAS RENOVÁVEIS – TE
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Sumário
1. Introdução
2. Fundamentos da conversão fotovoltaica.
3. Tecnologia de células e módulos
4. Bibliografia
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Introdução
As energias renováveis aumentaram paulatinamente sua taxa no mercado, com um crescimento rápido e sustentado de 2006 a 2011.
Estima-se que ao final de 2011 os 5360 GW de
capacidade instalada com energias renováveis constituam 25% da capacidade global de geração, fornecendo 20,3% da eletricidade global.
A energia solar fotovoltaica cresceu de um modo mais
rápido do que outras fontes de energias renováveis durante este período, com uma taxa média de crescimento de 58% anual, como mostrado na Figura 1.
Introdução
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Introdução
Introdução
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Introdução
Em termos de capacidade total instalada, a fotovoltaica ocupa o terceiro lugar dentre as fontes de energias renováveis, após a hidrelétrica e a energia eólica.
O crescimento da potência fotovoltaica instalada nos últimos anos superou todas as previsões, inclusive as mais otimistas, demonstrando o potencial desta tecnologia como fonte de energia em todo o mundo.
A análise do gráfico de evolução da capacidade instalada (Figura 4) surpreende pelo crescimento continuo apresentado. Ainda que, em alguns anos, o crescimento tenha sido elevado, a estabilização produzida em seguida e o crescimento posterior predizem a continuidade da expansão do mercado.
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Figura 4 – Evolução da capacidade mundial acumulada da energia fotovoltaica do ano 2000 a 2011. APAC: Ásia e Pacífico, MEA: Oriente Médio e África, ROW: Resto do Mundo.
Figura 5 – Evolução da capacidade mundial acumulada do ano 2008 a 2018.
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Figura 6 – Evolução da capacidade brasileira de energia fotovoltaica acumulada do ano de 2012 a 2020.
Figura 7 – Ranking municipal de energia fotovoltaica instalada (geração distribuída) em 2020.
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Introdução
Do mesmo modo, é importante mencionar que a maior parte da potência instalada corresponde à instalações conectadas à rede, 98% da capacidade global, ainda que exista um recente interesse nas instalações isoladas e sistemas de pequena escala, principalmente em áreas remotas de difícil acesso e em países em desenvolvimento.
O avanço tecnológico, que tornou possível o desenvolvimento desta fonte energética, decorre da confluência de vários fatores: por um lado, a maturidade tecnológica de todos os componentes do sistema, unida ao crescimento da capacidade global de fabricação, aos programas de fomento de alguns países, especialmente europeus, e a outros fatores conjunturais como o alto preço do petróleo e a facilidade para conseguir financiamento para este tipo de tecnologia.
Introdução
Ainda que se espere uma desaceleração, a inclusão de mercados emergentes fora da Europa, com o aumento de países que superam o MW instalado, indica que o crescimento será continuo, com a expansão destes mercados até que finalmente esta fonte de energia possa competir com as demais energias no mercado elétrico.
Ademais, é interessante comprovar a evolução da fabricação de células solares no mundo, apresentada na
Figura 9.
Introdução
Introdução
O rápido crescimento fez com que novos mercados se desenvolvessem, até o ponto que, segundo dados de 2011, houvesse um domínio do mercado asiático com relação à fabricação de células, especialmente da China. Enquanto em
2006 o principal produtor de células era o Japão, com 37% do total, e a Europa, com 28%, em 2008 a China já produzia 32,7%, chegando a 57% em 2011, conforme observa-se na Figura 10.
Finalmente, nesta rápida visão da evolução do mercado mundial, não podemos deixar de mostrar os gráficos evolutivos da tecnologia de célula (Figura 11). Tradicionalmente a tecnologia de silício cristalino foi, e continua sendo, a tecnologia dominante com relação à fabricação de módulos.
Introdução
Introdução
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Introdução
Contudo, atualmente existem outras tecnologias, principalmente a de filmes finos, que já alcançaram maturidade tecnológica e aumentam pouco a pouco sua quota de mercado.
Dentre as diferentes tecnologias, se destacam os módulos com células de CdTe (Telureto de Cádmio), que chegaram a 9% do mercado total em 2009, os módulos com células de seleneto de cobre e índio (CIS), as tecnologias hibridas de silício amorfo e micro-amorfo, etc.
Uma avaliação da redução do custo das células
Introdução
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Figura 12 – Relação do custo por Watt produzido por uma célula fotovoltaica ao longo dos anos.
Introdução
- Possibilidades na América Latina
O intenso desenvolvimento experimentado pela energia solar fotovoltaica na Europa e em outras regiões poderia ser levado à América Latina nos próximos anos, já que estes países têm condições muito vantajosas para a aplicação deste tipo de fonte energética.
O potencial fotovoltaico nestas zonas é enorme, devido a que grande parte dos países dispõe de uma maior quantidade de radiação solar do que os países europeus. Avaliando-se a irradiação média dos países do sul da Europa (Malta, Grécia, Itália, Espanha e Portugal), obter-se-ia um valor aproximado de 1826 kWh/m² por ano. A maioria dos países da América Latina possuem irradiância acima de 1900 kWh/m², como observado na Figura 13.
Introdução
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Fundamentos da conversão fotovoltaica
- O efeito Fotovoltaico. A célula solar
O fundamento da conversão da energia do Sol em energia elétrica está no Efeito Fotovoltaico, descoberto por Becquerel em 1839 que verificou que placas metálicas, de platina ou prata, mergulhadas num eletrólito, produziam uma pequena diferença de potencial quando expostas à luz.
Mais tarde, em 1877, dois inventores norte americanos, W. G. Adams e R. E. Day, utilizaram as propriedades fotocondutoras do selénio para desenvolver o primeiro dispositivo sólido de produção de electricidade por exposição à luz.
Fundamentos da conversão fotovoltaica
Tratava-se de um filme de selénio depositado num substrato de ferro e com um segundo filme de ouro, semitransparente, que servia de contato frontal. Apesar da baixa eficiência de conversão, da ordem de 0,5%, nos finais do século XIX o engenheiro alemão Werner Siemens (fundador do império industrial com o seu nome) comercializou células de selénio como fotômetros para máquinas fotográficas.
A história da energia fotovoltaica teve de esperar os grandes desenvolvimentos científicos da primeira metade do século XX, nomeadamente a explicação do efeito fotoelétrico por Albert Einstein em 1905, o advento da mecânica quântica e, em particular, a teoria de bandas e a física dos semicondutores, assim como as técnicas de purificação e dopagem associadas ao desenvolvimento do transístor de silício.
Fundamentos da conversão fotovoltaica
Somente em 1954 foi produzida a primeira célula fotovoltaica com uma eficiência de conversão aceitável. Nos anos 50-70 iniciaram-se as pesquisas intensivas nesta área, especialmente para aplicações espaciais.
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Fundamentos da conversão fotovoltaica
Figura 15 – Gerald Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller e a sua primeira célula solar, desenvolvida nos laboratórios da Bell Telephone C. em 1954.
Fundamentos da conversão fotovoltaica
A grande mudança foi produzida a partir dos anos 70, motivada em parte pela primeira crise energética internacional, que fomentou uma tentativa de diversificação das fontes energéticas e promoveu a pesquisa e o desenvolvimento da energia fotovoltaica como fonte energética.
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Figura 16 – A primeira aplicação de uma célula fotovoltaica de silício foi como fonte de alimentação de uma rede telefônica local em Americus, na Geórgia, Estudos Unidos, em 1955.
Fundamentos da conversão fotovoltaica
O elemento fundamental na conversão fotovoltaica é a
CÉLULA FOTOVOLTAICA. Em determinados materiais semicondutores, os fótons da radiação solar são capazes de transmitir sua energia aos elétrons de valência do semicondutor, tornando possível romper suas ligações de modo que fiquem livres e possam movimentar-se no material.
A ausência de um elétron devido ao rompimento de uma ligação chama-se lacuna, e também pode mover-se através do semicondutor. Portanto, as propriedades de condução elétrica de um semicondutor devem-se tanto ao movimento dos elétrons, quanto ao movimento das lacunas, denominando-se ambos, de maneira genérica, portadores de carga.
Fundamentos da conversão fotovoltaica
O movimento dos elétrons e lacunas em direções opostas gera uma corrente elétrica no semicondutor, que seria aproveitável por um circuito externo.
A fim de separar as lacunas e os elétrons para que a ligação não se reestabeleça, utiliza-se um campo elétrico que obriga a circulação de ambas cargas em sentidos opostos.
Uma célula fotovoltaica nada mais é do que um semicondutor preparado de maneira que seja possível extrair a circulação de corrente do mesmo até um circuito externo.
Tecnologia de células e módulos
Tecnologia de células e módulos
- Estrutura da célula fotovoltaica
A estrutura típica da célula fotovoltaica, junto ao seu principio de funcionamento, é apresentada na Figura 17. O material de base é o silício, e o campo elétrico é obtido introduzindo-se impurezas de maneira controlada (dopagem) com materiais que apresentam excesso ou falta de elétrons em relação ao silício.
Assim, se em um dos lados da célula introduzimos
átomos doadores, isso é, com excesso de elétrons, como o fósforo, obteríamos a camada N da célula, ou seja, uma área com densidade de elétrons maior. Se em outro lado introduzimos átomos receptores, isso é, com falta de elétrons, como o boro, obteríamos uma área com densidade de lacunas maior do que o resto do dispositivo, camada P.
Tecnologia de células e módulos
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Tecnologia de células e módulos
A diferença de concentrações entre elétrons e lacunas cria um campo elétrico, e o conjunto assim formado se denomina junção PN. A maioria das células solares são formadas a partir de uma junção PN, a qual se adicionam contatos metálicos para poder extrair a corrente até o exterior. Os demais elementos da célula fotovoltaica são:
Capa antirreflexo (AR) - Utiliza-se com o objetivo de reduzir as perdas por reflexão superficial, com uma refletância mínima a determinado comprimento de onda.
Rede de metalização (Contato Frontal) - Prepara-se de maneira
a permitir a coleta adequada de elétrons, introduzindo uma
resistência mínima e considerando que deve permitir a maior passagem possível de luz ao interior do dispositivo.
Tecnologia de células e módulos
Camadas ativas do semicondutor, materiais P e N.
Observa-se que a espessura do emissor (N) é muito menor do que a da base (P). A espessura das células fotovoltaicas foi diminuindo com o tempo, mas podem ser considerados valores típicos de espessura de células entre 250 e 350 μm.
O contato metálico posterior, que normalmente se realiza em
toda a superfície da célula.
Tecnologia de células e módulos
- Princípio de funcionamento
Quando a luz solar incide sobre a superfície da célula, se esta encontra-se conectada a uma carga, será produzida uma
diferença de potencial nesta carga e, portanto, uma circulação de corrente do terminal positivo ao terminal negativo da célula.
Nem todos os fótons da radiação solar são capazes de gerar pares elétron-lacuna, mas o fazem aqueles que têm uma
energia igual ou superior ao gap Eg de energia do material
(largura da banda proibida). Este valor é típico e característico de cada material semicondutor.
Tecnologia de células e módulos
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Tecnologia de células e módulos
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Figura 19 – Resposta espectral normalizada para sete módulos fotovoltaicos de diferentes tecnologias e o espectro padrão.
Tecnologia de células e módulos
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Tecnologia de células e módulos
Resumindo, os fenômenos que ocorrem são:
Os fótons com energia igual ou superior a Eg podem ser
absorvidos e produzir pares de elétron-lacuna que, por sua vez, podem atuar como portadores de carga;
O campo elétrico separa os portadores antes que recombinem-se novamente, causando a circulação de corrente que fornecerá energia à carga;
São produzidos fenômenos de injeção e recombinação de pares de elétron-lacuna, causando assim perdas de recombinação na célula fotovoltaica.
Tecnologia de células e módulos
Considerando isto, a corrente gerada pela célula fotovoltaica seria a diferença entre a corrente fotogerada IL, devido à geração de portadores produzida pela iluminação, e o que se chama corrente de díodo ou escura ID, devida à recombinação de portadores produzida pela tensão externa.
Desenvolvendo o termo da corrente escura segundo a
teoria de Shockley, a equação torna-se:
Tecnologia de células e módulos
na qual I0 é a corrente inversa de saturação do díodo, Vt é a
tensão térmica Vt=kT/e sendo k a constante de Boltzman, T a
temperatura em Kelvin, e a carga do elétron e m o fator de
idealidade do díodo.
Segundo a teoria de Shockley, que parte do pressuposto de que a recombinação é produzida principalmente pela difusão de portadores minoritários, m deveria ter um valor igual a 1. Logo se observou que células solares tinham um valor m>1 que não concordava com a teoria da difusão. O uso de um parâmetro m, ajustável a cada caso particular, busca integrar, em um modelo simples, os desvios com relação ao caso ideal.
Tecnologia de células e módulos
Esta equação seria a que corresponderia ao dispositivo ideal, aplicável tanto a células como aos módulos. No entanto, existem alguns efeitos, denominados extrínsecos, como as
quedas de tensão associadas ao movimento de portadores, do lugar em que é gerada até os contatos (emissor, base, malha metálica, superfície de contato, etc.), materializados através de uma resistência série externa Rs, e das correntes de fuga que podem afetar a característica, materializados através de uma
resistência paralela Rsh.
O circuito equivalente de uma célula fotovoltaica, modelo de um diodo, é apresentado na Figura 21.
Tecnologia de células e módulos
Tecnologia de células e módulos
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Bibliografia
1. Alonso, M.C., García, F.S. e Silva, J.P., “Energia Solar Fotovoltaica”,
Programa de Capacitação em Energias Renováveis, ONUDI, 2013.
2. Haag, Rafael & Krenzinger, Arno. (2010). TYPICAL SOLAR IRRADIANCE IN
THE AMAZONIAN REGION AND HIS IMPACT IN PHOTOVOLTAIC DEVICES OF DIFFERENT TECHNOLOGIES. 3. https://solargis.info/ 4. https://club.kdnet.net/dispbbs.asp?id=12827272&boardid=1 5. https://www.portalsolar.com.br/celula-fotovoltaica.html 6. https://wgsol.com.br/o-efeito-fotovoltaico-o-sol-fabricando-eletricidade/efeito-fotovoltaico/ 7. http://solar.fc.ul.pt/gazeta2006.pdf 8. http://www.absolar.org.br/infografico-absolar-.html 48
