Balanço e payback time de carbono de um sistema fotovoltaico : planta solar Jaíba

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Texto

(1)

PROJETO DE GRADUAÇÃO

Balanço e Payback Time de Carbono de um

Sistema Fotovoltaico - Planta Solar Jaíba

Por,

Maurício Almeida Pinto

Brasília, 22 de Junho de 2016

UNIVERSIDADE DE BRASILIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

(2)

II

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

UNIVERSIDADE DE BRASILIA Faculdade de Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica

PROJETO DE GRADUAÇÃO

Balanço e Payback Time de Carbono de um

Sistema Fotovoltaico - Planta Solar Jaíba

POR,

Maurício Almeida Pinto

Relatório submetido como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

Banca Examinadora

Prof. Mário Benjamim Baptista de Siqueira

Prof. Claudio Albuquerque Frate

Prof. Thiago Oliveira Rodrigues

(3)

III Dedicatória

Aos meus pais, Leonardo e Janete, e à minha irmã, Marina.

(4)

IV Agradecimentos

Agradeço a Deus pela força e coragem ao longo desta jornada.

À minha família, pela paciência e compreensão ao longo dos últimos anos em que me dediquei ao curso de Engenharia Mecânica.

Ao meu orientador, professor Claudio Albuquerque Frate, e ao meu co-orientador, professor Thiago Oliveira Rodrigues, pela paciência e incentivo ao longo da elaboração deste trabalho, bem como, ao professor Armando Azevedo Caldeira Pires e Mário Benjamim Baptista de Siqueira, pela sua

colaboração.

A todos os professores da Universidade de Brasília – UnB, que foram tão importantes na minha vida acadêmica e no desenvolvimento deste projeto de graduação.

A toda equipe Apuama Racing de Fórmula SAE, onde pude ter experiências insubstituíveis para a minha formação. Espero que vocês continuem a proporcionar experiências como esta para outros estudantes.

Aos amigos que fizeram parte da minha formação e que vão continuar presentes em minha vida com certeza.

Muito obrigado a todos! Maurício Almeida Pinto

(5)

V RESUMO

A crescente demanda por energia no mundo, o esgotamento dos recursos energéticos fósseis e

a preocupação com o meio ambiente fizeram com que houvesse um grande avanço da área de

conversão de energia a partir de recursos renováveis. O sol é um recurso de energia renovável

com ótimas perspectivas, principalmente por estar disponível em todas as regiões do mundo e

fornecer grande quantidade de energia. Neste sentido, diferentes tecnologias foram

pesquisadas e criadas nas últimas décadas com o objetivo de aproveitar toda essa energia, com

destaque para a tecnologia fotovoltaica. O presente estudo teve por objetivo calcular o

balanço de carbono e o payback time fazendo uso de dados primários de uma planta solar

fotovoltaica instalada no Brasil, além disso foi analisado os impactos do uso desta tecnologia

na conversão de energia elétrica e foi gerado cenários alternativos para entender qual seria a

melhor opção para a matriz energética brasileira. De posse do resultado, notou-se que a

utilização de painéis fotovoltaicos importados de países com uma matriz energética muito

dependente de recursos fosseis não é benéfico para o Brasil e a melhor opção seria a

fabricação local dos painéis.

ABSTRACT

The increasing energy demand worldwide, the depletion of fossil fuels and the environmental

issue led to considerable progress in the power generation through renewable resources. A

great perspective is given to the Sun, which is a renewable resource of energy, delivery

energy to all regions of the planet, also, is delivery a great amount of energy. The research

and industrial development carried out in the last decades on this field led to creation of

different technologies, especially photovoltaic, in order to take advantage of this resource of

energy. This paper presents the carbon footprint and carbon payback time calculation based

on real data of a photovoltaic solar system installed in Brazil, furthermore, an analysis is

conducted to determine the impacts of the power generation using this technology. It was

noticed that PV panels manufactured in countries with a non-clean electricity mix and

installed in Brazil is not beneficial for the environment. However, domestic manufacturing

PV panels would bring the benefits that are expected of a renewable technology.

(6)

VI

SUMÁRIO

1

INTRODUÇÃO ... 1

2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 3

2.1

Recursos de Energia ... 3

2.2

Recurso solar ... 4

2.2.1

Radiação Solar na Superfície Terrestre ... 4

2.2.2

Estimativa da radiação solar ... 7

2.2.3

Mapas de Irradiação ... 9

2.3

Tecnologias de conversão solar fotovoltaica e térmica ... 13

2.4

Tecnologias de conversão fotovoltaica: estado da arte ... 15

2.4.1

Efeito Fotovoltaico ... 15

2.4.2

Tecnologia das Células Fotovoltaicas ... 18

2.4.3

Painel Fotovoltaico ... 22

2.4.4

Sistemas Fotovoltaicos ... 24

2.5

Situação atual e futura mundial e Brasil: fotovoltaica ... 28

2.5.1

Mercado Fotovoltaico Mundial ... 29

2.5.2

Mercado Fotovoltaico no Brasil ... 31

2.6

Mudanças Climáticas ... 33

2.6.1

Efeito Estufa ... 33

2.6.2

Gases do Efeito Estufa ... 34

2.6.3

Mitigação ... 37

2.6.4

Energia Solar e Carbono – Balanço de carbono e payback time ... 39

2.6.5

Balanço de Carbono nos Sistemas Fotovoltaicos ... 39

2.6.6

Payback Time de Carbono nos Sistemas Fotovoltaicos ... 41

2.7

Estudos Semelhantes ... 42

3

Metodologia ... 45

3.1

Projeto Jaíba Solar ... 45

3.1.1

Jaíba - MG ... 46

3.1.2

Tecnologias ... 47

3.2

Materiais de Construção Civil ... 48

3.3

Painéis fotovoltaicos ... 52

3.4

Transporte ... 57

3.5

Manutenção ... 61

4

Resultados e Discussão ... 64

4.1

Balanço de Carbono ... 64

4.2

Payback Time de Carbono ... 72

4.3

Cenários Alternativos ... 73

4.3.1

Módulos poli-Si ... 73

4.3.2

Módulos Nacionais ... 75

5

Conclusões ... 77

(7)

VII

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 - Potencial de energia solar (SOLAR, 2015) ... 4

Figura 2.2 - Movimento de Translação da Terra (http://ciencia.hsw.uol.com.br/planeta-terra.htm) ... 5

Figura 2.3 - Variação de irradiância para diferentes latitudes (CHUERUBIM, 2012) ... 6

Figura 2.4 - Distribuição da radiação solar incidente (FC SOLAR GREEN ENERGY, 2015) ... 7

Figura 2.5 - Irradiação solar horizontal do Planeta Terra (SOLARGIS, 2015) ... 9

Figura 2.6 - Irradiação solar horizontal do Brasil (SOLARGIS, 2015) ... 10

Figura 2.7 - Irradiação solar direta normal no planeta Terra (SOLARGIS, 2015) ... 11

Figura 2.8 - Irradiação solar direta normal no Brasil (SOLARGIS, 2015). ... 12

Figura 2.10 - Coletores térmicos, adaptado de (DE OLIVEIRA) (ENERGY MEXICO) ... 14

Figura 2.9 - Painéis Fotovoltaicos (ELECTROCANIÇO) ... 14

Figura 2.11 – Silício dopado com impureza do tipo p e n (MIRZAMANI, 2011). ... 17

Figura 2.12 - Efeito fotovoltaico na junção pn (KAUFMANN, 2012). ... 18

Figura 2.13 - Tecnologias fotovoltaicas (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015). ... 19

Figura 2.14 - Painel fotovoltaico (KAUFMANN, 2012). ... 23

Figura 2.15 – Aplicação dos painéis fotovoltaicos (KAUFMANN, 2012). ... 23

Figura 2.16 - Painel solar utilizado para bombeamento de água (SHAYANI, 2010). ... 24

Figura 2.17 - Painel solar sendo utilizado como fonte de eletricidade para uma estação meteorológica (SHAYANI, 2010). ... 25

Figura 2.18 – Ilustração de como um sistema fotovoltaico é conectado à rede (VIZ TECHNOLOGY, 2015) ... 25

Figura 2.19 - Exemplos de geração centralizada ao redor do mundo (VIZ TECHNOLOGY, 2015). .. 26

Figura 2.20 – (a) Placas fixas; (b) placas com rastreamento solar em 2 eixos; (c) concentrador fotovoltaico; (b) e (c) (JAÍBA SOLAR, 2015) e (a) (EVERY CHINA, 2015). ... 28

Figura 2.21 – Evolução global anual de instalações de sistemas solares fotovoltaicos (MASSON, ORLANDI e REKINGER, 2014). ... 29

Figura 2.22 – Evolução global acumulada da capacidade instalada de energia fotovoltaica (MASSON, ORLANDI e REKINGER, 2014). ... 30

(8)

VIII

Figura 2.24 - Variação na concentração de CO2 na atmosfera (BORSARI, 2009). ... 35

Figura 2.25 - Emissões globais dos gases de efeito estufa (SOLOMON, QIN, et al., 2007). ... 37

Figura 2.26 – AVC de um Sistema Fotovoltaico (DESIGN AO VIVO) ... 40

Figura 3.1 - Insolação média diária anual no estado de Minas Gerais (CEMIG, 2012) ... 46

Figura 3.2 - Radiação solar direta normal diária média anual no estado de Minas Gerais (CEMIG, 2012) ... 47

Figura 3.3 – Processo de fabricação painel fotovoltaico (PORTAL SOLAR). ... 52

Figura 3.4 - Amonix – 7700 ... 55

Figura 3.5 - Emissões brasileiras de CO2 por setor de atividade (OBSERVATÓRIO DO CLIMA, 2014). ... 58

(9)

IX

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Formas de energia e tecnologias de conversão (FUCHS, HEGGER, et al., 2008). ... 3

Tabela 2.3 - Datas relevantes do desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica. ... 16

Tabela 2.4 – Comparação da eficiência das células fotovoltaicas. ... 22

Tabela 2.5 - Empreendimento em operação no Brasil (ANEEL, 2015). ... 32

Tabela 3.1 – Potencial de Aquecimento Global (GREENHOUSE GAS PROTOCOL) ... 40

Tabela 2.6 – Resultado do balanço de CO2 para outros estudos. ... 44

Tabela 3.1 – Emissão de CO2 referentes ao concreto. ... 49

Tabela 3.2 - Emissão de CO2 referentes a Brita. ... 50

Tabela 3.3 - Emissão de CO2 referentes a Areia. ... 50

Tabela 3.4 - Emissões de CO2 referentes aos Aços. ... 51

Tabela 3.5 – Emissões de CO2 referentes as Argamassas (ALBANO, KIRST e DIZ, 2011). ... 51

Tabela 3.6 - Energia primária total das placas fotovoltaicos (ALSEMA e DE WILD-SCHOLTEN, 2006). ... 53

Tabela 3.7 – CO2 eq. da geração de eletricidade (BRANDER, SOOD, et al., 2011), (IPCC/TEAP, 2014). ... 53

Tabela 3.8 - Características das placas fotovoltaicas mono-Si (YINGLI SOLAR, 2016) ... 53

Tabela 3.9 – Emissão de CO2 para os módulos fotovoltaicos. ... 54

Tabela 3.10 - Energia primária das estruturas (DUMORTIER e HAUSSENER, 2015) ... 54

Tabela 3.11 - Emissão de CO2 referente ao primeiro subsistema. ... 54

Tabela 3.12 - Emissão de CO2 referente ao segundo subsistema. ... 55

Tabela 3.13 - Emissão de CO2 referente ao terceiro subsistema. ... 55

Tabela 3.14 – Características do equipamento CPV (FTHENAKIS e KIM, 2011). ... 56

Tabela 3.15 - Energia primária consumida na fabricação do equipamento CPV (FTHENAKIS e KIM, 2011). ... 56

Tabela 3.16 - Emissão de CO2 para o Amonix. ... 57

(10)

X

Tabela 3.18 – Emissão de CO2 referente ao transporte dos materiais de construção. ... 59

Tabela 3.19 - Emissão de CO2 referente ao primeiro subsistema. ... 60

Tabela 3.20 - Emissão de CO2 referente ao segundo subsistema. ... 60

Tabela 3.21- Emissão de CO2 referente ao terceiro subsistema. ... 61

Tabela 3.22 - Emissão de CO2 referente ao quarto subsistema. ... 61

Tabela 3.23 – Energia primária do plano de O&M ... 63

Tabela 3.24 - Emissão de CO2 da O&M. ... 63

Tabela 4.1 – Emissão dos materiais de construção. ... 65

Tabela 4.2 – Emissão dos subsistemas fotovoltaicos. ... 66

Tabela 4.3 – Emissão total do projeto Jaíba. ... 68

Tabela 4.4 – Energia produzida pela planta solar Jaíba. ... 69

Tabela 4.5 - Balanço sem os materiais de construção (mono-Si). ... 70

Tabela 4.6 - Balanço para a planta solar Jaíba (mono-Si). ... 70

Tabela 4.7 – Payback time (mono-Si). ... 72

Tabela 4.8 - Payback time alternativo (mono-Si). ... 73

Tabela 4.9 - Características das placas fotovoltaicas poli-Si ... 73

Tabela 4.10 - Balanço sem os materiais de construção (poli-Si). ... 74

Tabela 4.11 - Balanço para a planta solar Jaíba (poli-Si). ... 74

Tabela 4.12 - Payback time (poli-Si). ... 74

Tabela 4.13 - Payback time alternativo (poli-Si). ... 74

Tabela 4.14 - Balanço para a planta solar Jaíba (Nacional). ... 75

Tabela 4.15 - Payback time cenário nacional. ... 75

(11)

XI

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 4.1 – Emissão individual de CO2 dos materiais. ... 65

Gráfico 4.2 - Emissão de CO2 do materiais de construção. ... 65

Gráfico 4.3 – Participação dos materiais nas emissões. ... 66

Gráfico 4.4 - Emissão individual de CO2 dos subsistemas. ... 67

Gráfico 4.5 - Emissão de CO2. ... 67

Gráfico 4.6 – Participação dos subsistemas nas emissões. ... 68

Gráfico 4.7 - Emissão total da planta solar Jaíba. ... 68

Gráfico 4.8 - Produção de energia elétrica dos subsistemas. ... 70

Gráfico 4.9 - Emissão de CO2 eq. por kWh produzido. ... 70

Gráfico 5.1 – Resultados do BCO2 dos cenários propostos. ... 77

(12)

XII

LISTA DE SÍMBOLOS

Unidade

Wh Watts por hora

W/m2 Watts por metro quadrado

KWh/m2 Quilowatt hora por metro quadrado

µm Micrometro KW Quilowatt MW Megawatt GW Gigawatt Ppm Parte por milhão PV Fotovoltaico

(13)

1

1 INTRODUÇÃO

A energia é algo indispensável para o progresso humano. Ademais, a demanda por energia vem aumentando para permitir que serviços e produtos, muitos deles essenciais, sejam disponibilizados a população, tais como o uso de celular, carros, eletrodomésticos, internet, entre outros. Outrossim, a maior parte desta demanda de energia no mundo é suprida pela queima de combustíveis fósseis (petróleo, gás natural e carvão) que são formados pela decomposição de organismos vegetais e animais durante milhares de anos.

Na década de 1970, após a crise do petróleo, o mundo percebeu que sua dependência por combustíveis fósseis era muito alta, despertando o interesse de se buscar novos recursos energéticos (RE), especialmente as renováveis. Deste então, muitos esforços vêm sendo feitos para aproveitar esses outros RE, como, por exemplo, a energia solar. A partir disto, o desenvolvimento da tecnologia de conversão fotovoltaica deixou de ser somente para programas espaciais e passou a ser aplicada em projetos residenciais e comerciais. Aplicações autônomas ou ligadas à rede elétrica começaram a ser pensadas também. Em várias partes do mundo os sistemas fotovoltaicos autônomos foram usados em áreas isoladas para refrigeração, bombeamento de água e telecomunicação.

Somente nos anos 1990, que as aplicações dos sistemas fotovoltaicos comerciais e residenciais conectados a rede elétrica começaram a crescer, principalmente nos países europeus, motivados pela busca de reduzir a dependência dos RE fósseis e também pela preocupação com as mudanças climáticas, em especial, com o aumento da intensidade do efeito estufa na atmosfera, causado pelo lançamento indiscriminado dos gases de efeito estufa, em especial o CO2, desde a revolução industrial.

Nesta direção, observou-se que a instalação dos sistemas fotovoltaicos começou a aumentar com o passar dos anos, sendo grande parte disto devido aos programas governamentais específicos para esta tecnologia e a crescente conscientização da população mundial a respeito do lançamento indiscriminado de CO2 na atmosfera terrestre. E ainda, tais programas preveem incentivos ficais e/ou

financeiros para a população e empresas a explorarem e adotarem essa tecnologia.

No Brasil, apesar de sua ótima localização geográfica e incidência de radiação solar, pouco tem sido feito. As principais barreiras para que o país avance nesta área se dá pela falta de regulamentação, falta de incentivo por parte do governo e, também, essa tecnologia ainda é vista como sendo incapaz de competir com as outras tecnologias para a conversão de RE em projetos de grande escala.

Atualmente, tanto a potência instalada como a produção de painéis fotovoltaicos continuam a crescer, o que corroborou para a tarifa da energia elétrica produzida por essa tecnologia se aproximar da produzida pelas tecnologias convencionais. Portanto, essa competitividade vem reduzindo o

(14)

2 Os sistemas fotovoltaicos vêm sendo apontados como uma das soluções para os problemas energéticos e ambientais do mundo. No entanto, já é conhecido que todo e qualquer sistema de energia renovável contribui para a mudança climática e isso ocorre devido os mesmos usarem fontes de energia que emitem os GEE, principalmente o CO2, durante a sua fabricação, operação e descarte.

Ademais, os pesquisadores vêm trabalhando para determinar a quantidade emitida durante o seu ciclo de vida e a partir desses dados calcular o balanço de carbono e o payback time do carbono para

determinar os benefícios que a tecnologia trás para o meio ambiente.

O propósito deste trabalho consiste na realização do balanço e do payback time de carbono, a partir de dados primários da planta solar Jaíba. Sistema esse que tem uma capacidade de 3MWp e está instalada no estado de Minas Gerais na cidade homônima a planta solar.

(15)

3

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Recursos de Energia

Toda a energia que flui no planeta vem de quatro fontes geradoras e, a partir delas, a humanidade aplica as tecnologias de conversão de energia para obter a energia necessária que necessita. As quatro fontes são: geotérmica, solar, gravidade e movimento de rotação da Terra (FUCHS, HEGGER, et al., 2008).

• A energia geotérmica: também conhecida como geotermal, é a energia obtida a partir do calor natural da Terra, mais especificamente do seu interior.

• A energia solar: vem de um processo de conversão termonuclear, fusão nuclear, que ocorre no Sol emitindo ondas eletromagnéticas (Fótons) que chegam ao planeta Terra, atmosfera e superfície.

• A gravidade e o movimento da Terra: normalmente trabalham em conjunto causando modificações nas marés, tamanho das ondas dos mares e na quantidade de radiação solar que cada região da Terra recebe.

A quantidade de energia dessas quatro fontes varia consideravelmente, mas, a principal fonte de energia para a Terra é a solar. Ademais, esta é responsável por mais de 99,9% da quantidade total de energia disponível no planeta. Em seguida vem a energia geotérmica, a qual representa 0,02% da quantidade de energia. Por último, mas não menos importante, vem a energia da contribuição da gravidade e rotação do planeta (FUCHS, HEGGER, et al., 2008).

A partir das quatro fontes geradoras, toda a energia vinda delas se manifesta de diferentes jeitos e formas no planeta Terra. Um exemplo é a energia eólica, que é o resultado da interação entre os movimentos de ar na atmosfera, radiação solar e rotação da Terra. Além disso, para aproveitá-la, o homem desenvolveu tecnologias de conversão, que são capazes de aproveitar parte desta energia, diretamente ou indiretamente, com um objetivo de usa-la para o fim que lhe convêm. A Tabela 2.1 mostra alguns exemplos de formas de energia e qual a tecnologia existente para aproveita-la (FUCHS, HEGGER, et al., 2008).

Tabela 2.1 - Formas de energia e tecnologias de conversão (FUCHS, HEGGER, et al., 2008).

Formas de Energia

Tecnologia de conversão

Energia térmica

Água quente

Aquecedor residencial

Energia da radiação

Raio solar

Coletor solar

Energia química

Gás natural

Turbina a gás

(16)

4

2.2 Recurso solar

O planeta terra recebe por ano 1,5125𝑥10'(KWh de energia solar (FADIGAS, 2011). Trata-se de

um valor considerável quando comparado ao consumo de energia elétrica mundial, que é de 19.710,36 x 109 KWh (EIA - INDEPENDENT STATISTICS & ANALYSIS, 2012). Em outra perspectiva, o

consumo humano anual representa apenas 0,0013% da energia recebida do sol. Igualmente, o recurso energético proveniente do sol é excepcional em comparação com todos os outros recursos já conhecidos e utilizados pela humanidade, como carvão, urânio e petróleo e seus derivados, conforme exposto na Figura 2.1. E ainda, a energia solar é considerada inesgotável, não poluente e gratuita (TIRADENTES, 2007).

Figura 2.1 - Potencial de energia solar (SOLAR, 2015)

Todas essas características da capacidade energética solar e as suas várias possibilidades de aproveitamento passaram a receber uma atenção especial e crescente de pesquisadores, empresas e países. A partir desse interesse, está sendo dada atenção especial ao estudo de formas e possibilidades para melhor aproveitar todo esse recurso energético proveniente do Sol.

Tais estudos vêm sendo incentivados pela comunidade internacional com o objetivo de desenvolver tecnologias que aproveitem o recurso solar de maneiras mais acessíveis e eficientes, com o objetivo de aumentar a sustentabilidade, reduzir a poluição e consequentemente reduzir as mudanças climáticas. No entanto, para que isso ocorra é requerido um conhecimento detalhado do recurso solar que chega a superfície terrestre, como a quantidade de energia disponível em cada região do planeta.

2.2.1 Radiação Solar na Superfície Terrestre

Nem toda a radiação solar vinda do Sol chega à superfície da Terra. Parte dessa radiação é refletida de volta ao espaço e a outra parte dessa irradiação incidente, que entra na atmosfera terrestre,

(17)

5 ainda sofre variações com as estações do ano, de acordo com a região, devido às diferenças de latitude, condições meteorológicas, altitudes, quantidade e qualidade das moléculas na atmosfera e do comprimento de onda (CHUERUBIM, 2012). Todos esses fatores afetam a radiação de certa maneira e elas são explicadas a seguir.

• Variação Sazonal

O planeta Terra descreve uma órbita elíptica em torno do Sol, sendo que o Sol está localizado em um dos focos da elipse, como pode ser visto na Figura 2.2. Além disso, devido a variação da declinação em função da inclinação do eixo de rotação da Terra, que é de 230 17’, em relação ao plano orbital da terra ao redor do Sol, ocorrem as estações do ano (CHUERUBIM, 2012). Entretanto, o eixo de rotação inclinado em relação ao plano orbital, faz com que um dos hemisférios terrestres receba mais diretamente a luz do Sol do que o outro. Assim, no hemisfério sul é verão enquanto no hemisfério norte é o oposto, inverno. Após seis meses a Terra se deslocou para o lado oposto da elipse, e nesta situação no hemisfério sul passa a incidir menos raios solares que no norte. Portanto, têm-se verão no hemisfério norte e inverno no hemisfério sul.

Figura 2.2 - Movimento de Translação da Terra (http://ciencia.hsw.uol.com.br/planeta-terra.htm)

Ainda por cima, por se tratar de uma orbita elíptica, a distância entre os dois astros, Terra e Sol, varia ao longo do ano, em aproximadamente 1,47 x 1011 m para o periélio, posição mais próxima do Sol, e de 1,52 x 1011 m para o afélio, posição mais distante do Sol (FORNARI, 2013). Esta mudança

(18)

6 • Variação da região

A quantidade de radiação solar recebida não depende apenas da variação sazonal, há outros fatores que influenciam essa quantidade. Pelo fato de o planeta terra ter uma forma de geoide, a quantidade de energia solar que atinge cada região da Terra varia de acordo com a sua latitude. Primeiramente, quanto menor a latitude mais verticalmente os raios solares atingem a superfície da Terra, portanto sua intensidade nesta região é maior. Segundo, a interação entre a radiação solar e a atmosfera é influenciada pela latitude. Dependendo da latitude, maior será o percurso dos raios solares e a radiação sofrerá mais absorção, reflexão e espalhamento, dispersando-a em todas as direções (SENTELHAS e ANGELOCCI, 2009).

• Atmosfera da Terra

Para a radiação atingir qualquer ponto da Terra, ela precisa percorrer um caminho através da atmosfera. Neste caminho se dá a interação dos raios solares com diversas substâncias, como ar, ozônio, nuvens, vapor de água, dióxido de carbono e poeira. Toda essa interação se dá da seguinte maneira: parte dessa radiação solar é refletida novamente para o espaço ao atingir a atmosfera devido, principalmente, a presença das nuvens. Outra parte é absorvida pelas moléculas de água, oxigênio, ozônio e dióxido de carbono. Por último, os raios solares e as moléculas que compõem a atmosfera interagem a nível molecular devido ao tamanho de onda da radiação solar ser maior que o diâmetro do núcleo das moléculas de ar, causando dispersões de parte da radiação, ou seja, alterações de direção nos raios solares (DE MELO, 2009).

Portanto, a radiação solar incidente na superfície terrestre passa por uma série de obstáculos no seu percurso até o solo, por isso ela é classificada em três tipos, radiação direta, radiação difusa e radiação refletida (FADIGAS, 2011). A radiação direta é a que atravessa em linha reta até a superfície da terra

ISSN 1678-7226

Chuerubim, M.L. (75-80) Rev. Geogr. Acadêmica v.6, n.1 (xiii.2012)

79

d) Cálculo do ângulo zenital:

Declinação solar (δ) Z (φ= 10°S) Z (φ= 20°S) Z 30°S) (φ= -17.5165 0.7966 0.7070 0.5960 -8.2937 0.8269 0.7636 0.6771 4.0168 0.8648 0.8376 0.7848 14.9009 0.8946 0.8990 0.8760 22.0396 0.9116 0.9360 0.9320 23.1205 0.9140 0.9414 0.9402 17.9132 0.9021 0.9150 0.9001 7.7246 0.8754 0.8590 0.8165 -4.2155 0.8399 0.7884 0.7130 -15.3634 0.8038 0.7202 0.6148 -22.1077 0.7811 0.6789 0.5562 -23.0116 0.7780 0.6735 0.5484

e) Cálculo da distância Terra-Sol (r):

Calculo do dia do ano Distância Terra-Sol (r)

31 0.9861 59 0.9914 90 0.9996 120 1.0079 151 1.0144 181 1.0169 212 1.0147 243 1.0084 273 1.0002 304 0.9919 334 0.9861 365 0.9839

f) Cálculo da irradiância solar:

Após a realização destes cálculos obteve-se os seguintes resultados paras as latitudes consideradas:

Mês Irradiância (10°S) Irradiância (20°S) Irradiância (30°S)

Janeiro 1407 1407 1409 Fevereiro 1392 1392 1393 Março 1369 1369 1371 Abril 1346 1347 1348 Maio 1329 1330 1331 Junho 1323 1323 1324 Julho 1328 1329 1330 Agosto 1345 1345 1347 Setembro 1367 1368 1369 Outubro 1390 1391 1392 Novembro 1407 1407 1409 Dezembro 1413 1413 1415 3. RESULTADOS

Construindo-se com base nos resultados anteriores os gráficos da variação da irradiância solar em função da diferença de latitude e época do ano tem-se que:

(19)

7 sem nenhuma alteração de direção além da provocada pela refração atmosférica. A radiação difusa é a que teve a direção dos seus raios modificada pelas moléculas de ar, nuvens e partículas em suspensão. A radiação refletida é a parte que chega ao solo e é refletido em direção a um plano inclinado, dependendo das características do solo. A incidência total, também conhecida como incidência global, de radiação solar sobre um corpo localizado da superfície da terra é a soma das radiações direta, difusa e refletida (PINHO e GALDINO, 2014).

2.2.2 Estimativa da radiação solar

Para a realização de projetos de sistemas de conversão solar fotovoltaica ou térmica é de extrema importância conhecer o fluxo de radiação solar no local em que vai ser instalado. Esse dado, bem como um histórico dessas medidas, permite verificar a eficiência e viabilidade na instalação de sistemas captadores de energia solar em certa região, proporcionando o máximo proveito da radiação ao longo de todo o ano (KAUFMANN, 2012).

Tal informação é obtida por meio de satélites e instrumentos solarimétricos, os quais medem a radiação solar que atinge a superfície da Terra, potência incidente por unidade de superfície (W/m2),

levando em conta os diversos comprimentos de onda que a constitui. Esses instrumentos detectam comprimentos de onda compreendidos nos intervalos entre 0,3 e 0,4 µm, parte da região do ultravioleta, 0,4 a 0,7 µm, região do espectro visível, e de 0,7 a 5 µm, região do infravermelho (JUCÁ e CARVALHO, 2013). A radiação total, a componente difusa no plano horizontal e a radiação direta

Figura 2.4 - Distribuição da radiação solar incidente (FC SOLAR GREEN ENERGY, 2015)

(20)

8 normal são as medições padrões, e os instrumentos mais utilizados para essas medições são destacados a seguir (FADIGAS, 2011).

Instrumentos de Medição

Heliógrafo - Esse instrumento mede a duração da insolação, indicando o número de horas de brilho de Sol. O mesmo consiste de uma esfera de vidro, suspensa em um suporte metálico, onde é colocado uma tira de papel e, a partir da focalização da radiação solar sobre o papel, o mesmo é enegrecido, pela exposição aos raios solares. O papel é graduado de forma que a luz do Sol seja medida em horas (DOS ANJOS e PEREKOUSKEI, 2014).

Piroheliômetros – O aparelho é usado para medir a radiação direta. Esse aparelho possui uma pequena abertura de tal maneira que só aceita a radiação direta proveniente do Sol e da sua região vizinha. O aparelho segue o movimento do Sol, que é permanentemente focalizado na região do sensor (FORNARI, 2013). Os piroheliômetros são instrumentos de alta precisão e possuem uma incerteza de aproximadamente entre 0,2 a 0,5%, e diferentes princípios de funcionamento. Além disso, os piroheliômetros são divididos em três classes, de acordo com a sua precisão. Sendo a primeira classe o mais preciso e a terceira a menos precisa (PRADO, ARRUDA, et al., 2007).

Pirômetros – Esse instrumento mede a irradiação solar total que chega a uma determinada superfície (FADIGAS, 2011). Atualmente, esses instrumentos utilizam dois tipos de elementos sensores para medir a irradiação, fotovoltaicos e termopilhas, sendo os fotovoltaicos mais comuns devido ao seu baixo custo e seu tempo de resposta mais rápido (FORNARI, 2013). Isso se dá pelo fato de os sensores fotovoltaicos não precisarem do uso de energia elétrica, enquanto que os de termopilha necessitam de uma alimentação de energia constante gerando maior custo (PRADO, ARRUDA, et al., 2007).

Actinógrafos – É utilizado para medir a radiação total ou apenas sua componente difusa, por meio de um sensor e um registrador. Esse instrumento é composto por três tiras metálicas que irão se curvar devido aos diferentes coeficientes de dilatação dos metais que a compõem (FADIGAS, 2011).

É preciso destacar que os satélites vêm sendo utilizados cada vez mais para esse fim. Os modelos de satélites que estimam o potencial de utilização da energia solar vêm se mostrando um grande aliado para a exploração desse RE renovável, principalmente com o avanço das tecnologias, que permitem obter dados mais precisos, novos métodos de analisar os mesmos e por sua capacidade de cobrir grandes áreas. Ainda mais, o uso de satélites geoestacionários permite os cálculos que conduzem a estimativas razoáveis, desvios na faixa de 15 a 20%, da irradiação solar global incidente na superfície e da sua variabilidade temporal e espacial (MARTINS, PEREIRA e ECHER, 2004).

Devido à natureza aleatória da incidência de radiação solar na superfície da terra, as estimativas e previsões do recurso solar disponível tem por base informações solarimétricas adquiridas durante um período de tempo prolongado, com o objetivo de ter maior precisão (KAUFMANN, 2012).

(21)

9 A partir dos dados obtidos sobre a radiação solar, é possível a aplicação de métodos que permitem gerar dados em diversas escalas de tempo: horária, diária, mensal e anual. Esses dados são especificados em termos de fluxo de potência (KW) ou energia (KWh) por unidade de área.

2.2.3 Mapas de Irradiação

Os mapas de irradiação foram feitos baseado nas estimativas de irradiação solar com o objetivo de facilitar o conhecimento solarimétrico e prever o potencial solar em uma determinada região do globo terrestre. Essas estimativas, normalmente, são feitas a partir da coleta de dados retirados dos modelos usando satélites e então são validadas por meio de comparações com os dados medidos em superfície em estações distribuídas pelo mundo (PEREIRA, MARTINS, et al., 2006). Dessa forma, são gerados mapas de irradiação solar global, mapas das componentes difusas e da irradiação em planos inclinados.

Irradiação Global no Plano Horizontal

Figura 2.5 - Irradiação solar horizontal do Planeta Terra (SOLARGIS, 2015)

A irradiação solar no plano horizontal é o parâmetro mais importante para avaliar o potencial da energia solar em uma particular região do planeta terra e é usada como o valor base para simular a instalação de painéis fotovoltaicos (SOLARGIS, 2015). Isso se dá pelo fato de mostrar a quantidade de energia incidente no plano de maior irradiação solar considerando a posição geográfica do local (MARTINS, PEREIRA, et al., 2005).

(22)

10 A partir da Figura 2.5, é possível observar que as regiões da África, Austrália, Europa Central e parte da América central possuem como característica alto índice de insolação ao longo do ano, acima de 2400 KWh/𝑚.por ano, clima quente e grandes áreas de desertos. Tais especificidades compõem

um cenário altamente propício para o aproveitamento em larga escala da energia solar usando painéis fotovoltaicos. Para se ter uma ideia do potencial solar destes lugares, a média solar europeia é algo em torno de 1300 KWh/𝑚. por ano, sendo o deserto do Saara recebe cerca de 2600 KWh/𝑚. por ano, ou

seja, duas vezes a média da Europa (FADIGAS, 2011).

Figura 2.6 - Irradiação solar horizontal do Brasil (SOLARGIS, 2015)

No Brasil têm-se características semelhantes às regiões globais com maior incidência solar, principalmente na região nordeste. Isso se dá pela sua proximidade a linha do Equador, latitude 00, de modo que não se observa grandes variações de radiação solar durante o dia. No semiárido nordestino, com destaque o Vale do São Francisco, encontra-se os melhores índices de radiação solar, com valores variando de 1.752 a 2.190 KWh/𝑚.por ano. Isto coloca a região entre as com maior potencial de

(23)

11 energia solar do mundo (PACHECO, 2006). No entanto, vale destacar que as outras regiões do Brasil também possuem um potencial solar muito grande, variando de 1500 KWh/𝑚. por ano até

2300 KWh/𝑚. por ano, ou seja, o menor índice de irradiação do Brasil é maior que a média da

Europa, 1300 KWh/𝑚. por ano.

Irradiação Direta

Figura 2.7 - Irradiação solar direta normal no planeta Terra (SOLARGIS, 2015)

Já o conhecimento da irradiação direta normal é de extrema importância para determinar a melhor localização para instalar concentradores solares no globo terrestre (EUROPEAN UNION, 2013). Isso se dá pelo fato desse tipo de coletor solar utilizar os raios diretos, que não sofrem desvios, para calcular o ponto focal do equipamento, bem como o quanto de energia solar pode captar.

A

Figura 2.7 evidencia algo semelhante a que foi visto para a irradiação solar no plano horizontal, que as regiões da África, Austrália, Europa Central e parte da América central possuem o maior potencial. No entanto, nota-se que o índice de insolação no continente africano não alcança os valores mais altos, como visto na Austrália e Chile. De qualquer forma, o potencial dessas regiões variam de 2.200 KWh/𝑚. por ano até 3.800 KWh/𝑚. por ano, valores muito altos se comparado, por exemplo,

ao continente europeu onde a variação vai de 400 KWh/𝑚. por ano até 2400 KWh/𝑚. por ano. Logo,

essas especificidades também compõem um cenário altamente propício para o aproveitamento em larga escala da energia solar usando os concentradores solares.

(24)

12

Figura 2.8 - Irradiação solar direta normal no Brasil (SOLARGIS, 2015).

No Brasil, observa-se que a pior região no país é capaz de ter uma produtividade de 1.000 KWh/ 𝑚. e as melhores 2.400 KWh/𝑚. (SOLARGIS, 2015). A região que possui o melhor índice fica no

nordeste, principalmente no estado da Bahia. Da mesma forma como na irradiação solar no plano horizontal, o Vale do São Francisco se destaca por concentrar esses altos índices de irradiação, bem como, verifica-se que mesmo as regiões com menores índices de irradiação direta normal apresentam potencial de aproveitamento energético, como por exemplo, para o aquecimento de água a temperaturas inferiores a 1000C por meio de coletores solares (ANEEL, 2002). No entanto, comparando-se com a Austrália, região com uns dos maiores potenciais de irradiação, em que a maioria do seu território possui índices acima de 2400 KWh/𝑚., pode se notar que o território

(25)

13

2.3 Tecnologias de conversão solar fotovoltaica e térmica

Existem várias formas de se aproveitar o recurso solar como insumo energético, sendo que algumas formas são utilizadas há séculos, por exemplo, para a iluminação natural de ambientes, para aquecer água e para cozinhar (SHAYANI, 2010). Os equipamentos que permitem o aproveitamento da energia solar, principalmente para a geração de energia elétrica ainda são caros e inacessíveis. No entanto, com o crescimento da produção e utilização desses equipamentos, os custos relacionados aos mesmos tende a diminuir, e consequentemente, beneficiar de forma mais direta um número maior de pessoas. Portanto, quanto maior a utilização de energia elétrica e térmica proveniente de coletores solares, maior será a preservação do meio ambiente e menor será o consumo de energia de RE poluentes (TIRADENTES, 2007).

Os métodos de captar e aproveitar a energia solar são classificados em diretos e indiretos:

• Direto – precisam de apenas uma etapa para capturar a energia solar e transformá-la em energia que pode ser utilizada pelos homem. Os principais exemplos são: a célula fotovoltaica – a energia solar atinge o painel gerando eletricidade – e aquecedores solares – os raios solares atingem uma superfície escura e é transformada em calor (PONTES, GRASSINI e PINTO, 2012).

• Indireto – precisam de duas ou mais etapas para converter a energia solar em energia utilizável para o homem. Um exemplo desse método é a energia heliotérmica – os raios solares são concentrados por meio de coletores solares que por sua vez concentram o calor em um tubo por onde passa um fluido e em um segundo processo, a energia elétrica é gerada por meio de um ciclo térmico convencional (UNESP, 2015).

Os métodos também são classificados em passivos e ativos:

• Passivos – os sistemas são geralmente diretos. Como exemplo, tem-se uma estufa que transfere o calor do sol para o ar, ainda que envolva, algumas vezes, fluxos em convecção, que é tecnicamente uma conversão de calor em energia mecânica (PONTES, GRASSINI e PINTO, 2012).

• Ativos – os sistemas contam com o auxílio de dispositivos mecânicos para melhorar o seu desempenho de coleta da energia solar, podendo citar um sistema de aquecimento solar que utiliza uma bomba para forçar a circulação do fluido como exemplo (PONTES, GRASSINI e PINTO, 2012).

Atualmente, as tecnologias de conversão mais usadas para aproveitar o RE solar são o coletor térmico, método indireto, e a placa fotovoltaica, método direto. Ambas as alternativas contam com aplicações e funcionalidades distintas, logo essas alternativas precisam ser bem estudadas antes de sua implantação.

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14 Os painéis fotovoltaicos (Figura 2.9) convertem os raios solares diretamente em energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico (FADIGAS, 2011). Além disso, o uso dessa tecnologia vem se expandindo mundo a fora devido a fatores tais como: baixo custo de manutenção, vida útil longa e levar energia elétrica a lugares remotos e de difícil acesso (PRADO, 2010). Por outro lado, os principais fatores que atrasam a rápida adoção dessa tecnologia são o baixo rendimento dos painéis, entorno de 25%, e o alto custo do mesmo. Portanto, embora a energia solar seja uma fonte de energia sustentável, quando se olha pelo lado econômico infelizmente ainda é uma tecnologia que esta fora da realidade de muita gente (SANTOS, SANTOS e DA SILVA, 2010).

Os coletores térmicos (Figura 2.10) são usados para aquecer um fluido (liquido ou gasoso), por sua vez esse fluido é armazenado em um reservatório até o seu uso final. Essa tecnologia hoje é largamente utilizada para aquecimento de água a temperaturas baixas (inferior a 100oC) em residências, hospitais, hotéis e na indústria, principalmente pela redução do consumo de energia elétrica. Além disso, há aplicações dessa tecnologia para sistemas que requerem altas temperaturas para a geração de vapor, de modo a utilizar esse vapor para a produção de energia elétrica, chamados de concentradores solares (PRADO, 2010).

Figura 2.10 - Painéis Fotovoltaicos (ELECTROCANIÇO)

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15

2.4 Tecnologias de conversão fotovoltaica: estado da arte

Os conversores fotovoltaicos são uma tecnologia que gera eletricidade a partir do uso de materiais semicondutores que constitui a célula solar. Combinando-se várias células solares se forma o módulo ou painel solar (JAGER-WALDAU, 2014). Além disso, a geração de energia elétrica se dá de maneira direta por meio do efeito fotovoltaico, ou seja, não há nenhum equipamento externo necessário para gerar a eletricidade como ocorre nos concentradores solares (PARIDA, INIYAN e GOIC, 2011).

Os equipamentos fotovoltaicos possuem um design simples e resistente, o que faz com que os mesmos precisem de pouca manutenção durante a sua vida útil. E ainda, essa tecnologia de geração elétrica tem diversos outros benefícios como: redução dos gases de efeito estufa, estabilização de terras degradadas, oportunidades de emprego, diversificação da matriz energética e melhorar a qualidade de vida em países subdesenvolvidos (HERNANDEZ, EASTER, et al., 2014). A principal característica desta tecnologia é a sua capacidade de gerar desde alguns poucos microwatts até vários megawatts. Devido a esta vasta capacidade de geração, a demanda por essa tecnologia vem crescendo ano a ano e sendo aplicada nas mais diferentes situações, desde fonte de energia para bombas de água, sistemas de comunicação, satélites e até para geração de energia em escala comercial (PARIDA, INIYAN e GOIC, 2011). Por outro lado, essa tecnologia é uma das mais caras dentre as renováveis e possui uma eficiência baixa, consequentemente o custo do seu KWh é alto (CHAAR, LAMONT e ZEIN, 2011).

2.4.1 Efeito Fotovoltaico

Breve Histórico

Em 1839, o físico Alexandre-Edmund Becquerel observou que surgia corrente elétrica quando algumas reações químicas eram expostas a luz. Efeitos semelhantes foram observados por outros cientistas, só que desta vez em um material sólido (Selênio) (CHAAR, LAMONT e ZEIN, 2011). Em 1904 a teoria por de trás do efeito fotovoltaico foi publicada por Albert Einstein, na qual ele provou que a energia da luz consistia de partículas individuais, os Fótons. Esse trabalho foi então aprofundando pelo cientista polonês Jan Czochralski no final dos anos de 1940, o qual desenvolveu a técnica para o crescimento de cristais de silício que até hoje é aplicada para a produção de painéis fotovoltaicos (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015). No final dos anos de 1950, essa tecnologia foi adotada pelos programas espaciais e usada como fonte de energia para os satélites. Nos anos 1960 tiveram início as pesquisas com o objetivo de descobrir novos materiais e processos de produção da célula fotovoltaica que fossem mais eficientes, com maior produção de energia, menor custo de produção e tivesse aplicações em larga escala. Com a crise do petróleo nos anos 1970, o

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16 desenvolvimento dessa tecnologia, assim como de outras, teve o incentivo que precisava para se consolidar no cenário mundial como uma opção de fonte de energia renovável (RAZYKOV, FEREKIDES, et al., 2011). Na Tabela 2.2, a seguir, é possível verificar as datas mais relevantes no desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica.

Tabela 2.2 - Datas relevantes do desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica.

Fatos e Inovações da Tecnologia Fotovoltaica

Ano

Becquerel nota o efeito fotovoltaico

1839

Adams e Day notam o efeito fotovoltaico no selênio

1876

Einstein pública a sua teoria sobre o efeito

1904

Jan Czochranlski desenvolveu a técnica do crescimento de cristais de Silício

1940

Charpin, Fuller e Pearson a célula solar de Silício com 6% de eficiência

1954

Primeiro uso de célula fotovoltaica em um satélite

1958

Incentivo a pesquisa e aplicação das células solares devido a Crise do

petróleo

1970

Dados: (CHAAR, LAMONT e ZEIN, 2011); (RAZYKOV, FEREKIDES, et al., 2011); (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015)

Principio de Funcionamento

O efeito fotovoltaico é a conversão direta da luz em energia elétrica pelas junções pn dos materiais semicondutores. Os materiais semicondutores mais comuns são o Silício, o Arsênio de Gálio, Telurieto de Cádmio, Disselenieto de Cobre e Índio, sendo que as células solares feitas com silício são as mais utilizadas atualmente.

Os materiais semicondutores não são ótimos condutores de eletricidades, por isso muitos deles precisam passar por um processo conhecido como dopagem, onde se acrescenta porcentagem de outros elementos. No caso das placas de silício, o processo de dopagem introduz átomos de fósforo fazendo que haja elétrons em excesso e que poderão se deslocar para a banda de condução. Assim, diz que o fósforo é um doador de elétrons ou dopante n. Em contrapartida, é introduzido átomos de boro que cria uma deficiência de elétrons na banda de valência, denominado coluna ou buraco. Dessa maneira, diz que o boro é um aceitador de elétrons ou dopante p, como pode ser visto na Figura 2.11 (KAUFMANN, 2012). Assim, uma placa solar de silício é formada por uma camada fina de material tipo n e outra mais espessa de material tipo p (DO NASCIMENTO , 2004).

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17

Figura 2.11 – Silício dopado com impureza do tipo p e n (MIRZAMANI, 2011).

Quando as camadas estão separadas, ambas são eletricamente neutras, mas quando unidas será formado o que se chama de junção pn (DO NASCIMENTO , 2004). Nesta região, os elétrons livres do lado n migram para o lado p, onde encontram espaços vazios na estrutura, que o capturam. Com isso, há uma maior quantidade de elétrons do lado p, o tornando negativamente carregado, e uma redução de elétrons do lado n, o tornando positivamente carregado. As cargas aprisionadas do lado p formam um campo elétrico permanente que dificulta o fluxo de elétrons entre os lados n e p, então se diz que ambos os lados estão em equilíbrio (KAUFMANN, 2012).

Ao expor a junção pn aos fótons de luz com energia suficientemente grande, os elétrons passam da banda de valência para a banda de condução rompendo o equilíbrio elétrico estabelecido anteriormente. Devido ao campo elétrico criado na região pn, os elétrons são orientados a fluírem da camada p para a camada n, gerando uma corrente através dessa junção (DO NASCIMENTO , 2004). Assim sendo, esse deslocamento de cargas gera uma diferença de potencial, conhecida como efeito fotovoltaico, e se as duas camadas forem conectadas por meio de um condutor externo, haverá formação de corrente elétrica (KAUFMANN, 2012). O efeito fotovoltaico pode ser visto na Figura 2.12.

ENERGIA FOTOVOLTAICA - MANUAL SOBRE TECNOLOGIAS, PROJECTO E INSTALAÇÃO

CONHECIMENTOS ELEMENTARES2.21

Figura 2.40 - Condução extrínseca com silício dopado com impurezas do tipo n e p

Se juntarmos as camadas dos semicondutores n e p impuros, produziremos uma região de transição pn. Isto leva à difusão dos electrões supérfluos do semicondutor n para o semicondutor p na junção. Cria-se assim uma nova área com poucos portadores de carga (ver figura 2.41), designada por barreira de potencial. Na área n da região de transição, os átomos dopantes positivos são remetidos para trás, acontecendo de modo semelhante com os negativos na área p. É criado um campo eléctrico que se mantém contrário ao movimento dos portadores de carga. Por esta razão a difusão não se mantém infinitamente.

Figura 2.41 - Criação da barreira de potencial numa região de transição pn, através da difusão dos electrões e das lacunas

Se um semicondutor pn (célula solar) é exposto à luz, os fotões são absorvidos pelos electrões. As ligações entre electrões são quebradas por este fornecimento de energia. Os electrões libertados são conduzidos através do campo eléctrico para a área n. As lacunas assim criadas seguem na direcção contrária para a área p. Todo este processo é denominado por efeito fotovoltaico. A difusão dos portadores de carga até aos contactos eléctricos, produz tensão na fronteira da célula solar. Se não estiver ligada a nenhuma carga, é obtida a tensão de circuito aberto na célula solar. Se o circuito eléctrico estiver fechado, a electricidade pode fluir. Contudo, alguns electrões que não alcançam os contactos são recombinados. A recombinação consiste no processo de unir um electrão livre a um átomo destituído de um electrão de valência (lacuna).

(30)

18

Figura 2.12 - Efeito fotovoltaico na junção pn (KAUFMANN, 2012).

2.4.2 Tecnologia das Células Fotovoltaicas

Desde a primeira célula fotovoltaica feita de cristais de silício, os pesquisadores e os fabricantes ao redor do mundo vem procurando criar novas tecnologias que permitam diminuir o custo da mesma, mas ao mesmo tempo aumentar a sua eficiência de conversão. Igualmente, outra preocupação surgiu, alguns tipos de materiais utilizados nas células representavam perigo para o meio ambiente. Com isso os pesquisadores e fabricantes tiveram que desenvolver novas tecnologias que além de ter os benefícios já almejados, não agredissem a natureza. A partir dessas exigências, surgiram várias tecnologias fotovoltaicas como pode ser observado na Figura 2.13 (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

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19

Figura 2.13 - Tecnologias fotovoltaicas (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

Células de silício cristalino

Na primeira geração de painéis fotovoltaicos desenvolvidos, as células eram feitas usando o silício (Si). Mesmo sendo uma tecnologia antiga, isso não a torna obsoleta, pois ela é constantemente desenvolvida para melhorar sua eficiência (CHAAR, LAMONT e ZEIN, 2011). Atualmente, essa tecnologia lidera o mercado de painéis solares, com mais de 80% do mercado, pois seu preço é constantemente reduzido com o avançar das pesquisas, principalmente das células monocristalinas e policristalinas. A tecnologia das células de silicone cristalino é divida em: monocristalinas (mono c-Si), policristalinas (poly c-c-Si), emitter wrap through (EWT) e gálio e arsênio (GaAs) (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015)

• Mono c-Si

É a tecnologia fotovoltaica com melhor custo e benefício atualmente e vai continuar a liderar o mercado até que alguma outra tecnologia a desbanque. Para a sua fabricação ainda se usa o processo de desenvolvido Czochralski nos anos de 1940 para fazer os cristais usados nas junções pn. O limitador dessa tecnologia é exatamente o silício, pois esse material superaquece quando o comprimento de onda que chega é grande, limitando a sua eficiência de conversão (CHAAR, LAMONT e ZEIN, 2011). Sob ambiente de laboratório controlado, essa tecnologia alcançou eficiência de 24,7 %, mas quando aplicada em escala comercial a mesma alcançou eficiência entre 15% - 20% (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

• Poli c-Si

A tecnologia de poli silício surgiu dos esforços da indústria em criar algo com melhor custo beneficio, para isso criaram outro método de cultivar os cristais de silício. Assim, essa nova técnica diminui os custos de fabricação dos painéis, a tornando economicamente atrativa para as empresas, mas a sua eficiência não é boa quando comparada as placas de mono c-Si (CHAAR, LAMONT e

been found that poor system performance evaluation pre-installation is one of the reasons for the increase in PV systems failure in Nigeria, which invariably leads to the malfunctioning and eventual failure of the system after a short time. Many PV systems installation have also been done neglecting standard design practices and performance analyses. Therefore, the third objective of this paper is concerned about the module performance estimation, using the historical solar energy data of Kutunku, Abuja. Several scholarly works have been reported in the literature for PV performance analyses [28–46]. However, a different method of module performance estimation is discussed in this work, which employs the Fundamental Photovoltaic Module Performance Analysis (FPVMPA) system. The system has been developed in MATLAB according to the guidelines specified in the IEC 61724 standards, for PV system performance monitoring-measurement, data exchange and analysis[47–49]. With this tech-nique, the performance of NASENI 190 W module is estimated in terms of: power output, energy yield and captures losses, fill factor and efficiency. It is an established convention that the power output of a PV reduces as the temperature increases (TA425 1C). This also

has an impact on the efficiency of the module. Therefore, emphasis is

laid on the temperature dependence of the module output, and how it affects the efficiency, over a period of time. The analyses are then used to evaluate the performance of a 54.72 kW Photovoltaic Electric Power Generation Plant (PEPGP) that is proposed for a remote mini-estate in Kutunku. The existing solar panel manufacturing plants in Africa are shown inTable 2 [50].

The remaining sections of the paper are organized as follows:

Section 2presents the developments in solar energy technologies,

Section 3 focuses on photovoltaic models, Section 4 centers on development of solar panel plant,Section 5discusses the module performance analyses, Section 6 concentrates on simulation results, discussions and module application, while Sections 7 and 8focus on the future work and the conclusion, respectively. 2. Developments in solar energy technologies

Principally, solar energy technologies are classified into: solar thermal and solar photovoltaic systems, but the paper concentrates on the PV systems. However, the progress in solar concentrating Table 2

Existing solar panel plants in Africa.

Name Country Module technology Plant Capacity (MW/yr) Power Range of products (W!p) Algerian PV Company (ALPV) Algeria Mono- &, Poly-crystalline 12 80!90

ARTsolar South Africa Mono-crystalline 75 230!300

Aurasol Tunisia Mono- &, Poly-crystalline

Droben Morocco Mono-crystalline 13!225

EBAT Egypt Mono- &, Poly-crystalline

Ezylight South Africa Mono- &, Poly-crystalline 10!210

Ifrisol Tunisia Mono- &, Poly-crystalline 20 50!300

Setsolar South Africa Polycrystalline 45!280

Sokolic Solar South Africa Mono- &, Poly-crystalline 10!280

Solairedirect Techn. South Africa Mono- &, Poly-crystalline 90 10!300

Ubbink East Africa Kenya Poly-crystalline 13!250

Table 3

Band gaps of some PV materials.

PV Material Symbol Band gap (eV)

Crystalline silicon c-Si 1.1

Amorphous silicon/Amorphous silicon germanium a-Si/a-Si: Ge

1.4–1.8

Cadmuim telluride CdTe 1.45

Copper indium diselenide/Copper indium gallium diselenide

CIS/CIGS 0.9–1.4

Gallium arsenide GaAs 1.43

Fig. 2. PV technologies.

D.O. Akinyele et al. / Renewable and Sustainable Energy Reviews 48 (2015) 112–139 116

(32)

20 ZEIN, 2011). Atualmente, há células de poli silício com eficiência similar as de mono silício, mas normalmente a sua eficiência é de pouco menos de 15% (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

• EWT

Alguns fabricantes desenvolveram um novo design de células, o que permitiu eles aumentarem a eficiência das células sem ter que otimizar os matérias usados. Essa nova configuração aumentou a área utilizada para absorver radiação, com isso os fabricantes atingiram eficiência que varia entre 15% - 20% (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

• GaAs

Essa tecnologia consiste no uso de dois novos materiais o Gálio e o Arsênio e possui uma alta eficiência de conversão quando comparado aos painéis feitos de silício. A sua principal propriedade é a sua resistência ao calor e por ser mais leve que os módulos de silício, sendo indicado para o uso em programas espaciais. Atualmente, sua eficiência está em 40,8%, mas o seu preço quando comparado a das outras tecnologias é muito elevado, o que limita seu uso a certas áreas.

Células de Películas Finas

Desde os anos de 1990, o desenvolvimento de processos de película fina para a fabricação de painéis solares vem se tornando mais importante. Essa tecnologia de fabricação é basicamente a otimização do uso de materiais semicondutores, com o objetivo de reduzir os custos de produção, quando comparadas às tecnologias convencionais, e consequentemente do produto, sem que diminua sua vida útil e gere danos ao meio ambiente (CHAAR, LAMONT e ZEIN, 2011). Neste caso, uma fina camada do material semicondutor (aproximadamente 10µm) é depositada em um substrato, que na maioria das vezes vidro, por meio da vaporização, processos de disposição catódica e banhos eletrolíticos. No entanto, o lado negativo deste método é que por usar muito pouco material fotovoltaico a absorção de luz diminui e a sua eficiência de conversão também, mas no momento presente, pesquisadores vêm desenvolvendo maneiras de melhorar a eficiência desse método (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

Os seguintes tipos de películas finas são os mais utilizados e pesquisados: silício amorfo (a-Si), sulfato de cádmio (CdS/CdTe), diselenieto de cobre e índio (CIS) e cobre índio gálio selênio (CIGS).

• a-Si

Uma das primeiras tecnologias de películas finas desenvolvidas, essa película é feita usando estruturas de silicone desorganizadas, ao contrario dos cristais de silício, o que faz com que ela tenha melhores propriedades elétricas e produz um efeito fotovoltaico maior. Outro ponto positivo, é que o a-Si é capaz de absorver uma banda espectral mais ampla, aumentando o efeito fotovoltaico (CHAAR, LAMONT e ZEIN, 2011). Por outro lado, o a-Si se degrada rapidamente, reduzindo sua eficiência. No seu atual estado de desenvolvimento e uso, essa tecnologia possui uma eficiência de 12% quando

(33)

21 testada em condições de laboratório e de 4% a 8% quando testada em condições reais. Ainda mais, devido aos baixos preços das células e módulos fotovoltaicos de estrutura cristalinas, a película de silício amorfo está deixando de ser usada por não conseguir competir (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

• CdS/CdTe

A tecnologia dessa película fina é conhecida por usar uma pequena área para se ter uma alta eficiência de conversão, sendo que seus módulos tem eficiência acima de 9% e quando testadas em ambientes controlados conseguiu-se eficiência de até 18%. Outra vantagem desse material é que sua aplicação é fácil e relativamente rápida quando comparado aos outros, diminuindo custos de fabricação. Por outro lado, a principal desvantagem é que a toxidade do cádmio que representa um perigo ao meio ambiente e outro problema é a quantidade limitada de telurieto (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

• CIGS/CIS

Esse material ainda se encontra em desenvolvimento e é esperado que chegue ao mercado de películas finas em um futuro próximo. Os módulos solares que a usam são capazes de alcançar eficiência de 13% e possui uma baixa degradação. Por outro lado, o processo de manufatura ainda não permite a produção em larga escala (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

Células híbridas

A célula solar híbrida é a combinação de uma célula de cristais de silício com uma célula de película fina, como por exemplo, a combinação de módulos de mono c-Si com uma película de a-Si. Essa tecnologia é capaz de atingir uma eficiência de 22%, produzir painéis mais finos e mais rapidamente (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

Células orgânicas e poliméricas

As células orgânicas e poliméricas ainda se encontram em estágio de desenvolvimento. Essas células são feitas com finas películas de semicondutores orgânicos como polímeros e tem uma eficiência de conversão entre 4%-5%. No entanto, o grande atrativo desta tecnologia são: por ser mecanicamente flexível, facilmente descartável, por usar pouco material e baixo custo de produção (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015). Atualmente, as pesquisas se concentram em melhorar a eficiência e diminuir ainda mais o custo de produção usando a nanotecnologia (CHAAR, LAMONT e ZEIN, 2011).

Células solares sensibilizadas com corante

A tecnologia dessas células surgiu da necessidade de aumentar a eficiência de conversão das células de películas finas, reduzir o custo de produção e diminuir os problemas ao meio ambiente que algumas delas poderiam causar. Para aumentar a eficiência os pesquisadores tingiram as películas com

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22 corantes, dióxido de titânio, nanomateriais e iodos, para aumentar a absorção de luz. Com isso seus módulos atingiram uma eficiência de 11%. O problema dessas células é que os eletrólitos, que compõem a célula, possuem solventes que tendem a passar pelo encapsulado que a formam. Esses solventes representam um perigo ao meio ambiente, contaminação do ar e solo, e ao ser humano, doenças, quando usados ao ar livre (AKINYELE, R.K.RAYUDU e NAIR, 2015).

Nanomateriais nas células fotovoltaicas

Assim como citado nas células orgânicas e poliméricas, cada vez mais a nanotecnologia esta sendo usada para alcançar melhores resultados das células fotovoltaicas. O uso desta tecnologia otimiza os sistemas responsáveis pelo efeito fotovoltaico em uma escala nanométrica, os tornando capazes de absorver mais energia, aumentar a gama de comprimentos de ondas absorvidos e, consequentemente, aumenta sua eficiência de conversão (CHAAR, LAMONT e ZEIN, 2011).

Tabela 2.3 – Comparação da eficiência das células fotovoltaicas.

Células

Silício Cristalino Películas Finas Orgânicas e poliméricas Híbridas Sensibilizadas com corante mono c-Si poli c-Si EWT GaAs a-Si CdS/CdTe CIGS/CIS

4% - 5% 22% 11%

Eficiência 15% - 20% 15% 15% - 20% 40.8% 4% - 8% 9% 13%

2.4.3 Painel Fotovoltaico

O painel fotovoltaico é composto por diversas células fotovoltaicas ligadas juntas, que são as responsáveis pela conversão da luz solar em energia elétrica (GREENPRO, 2004). Isso se da pelo fato de apenas uma única celular produzir muito pouca energia, por exemplo, uma placa com uma área de 100 cm2 produz uma diferença de potencial de 0,4 volts e corrente de 3,0 ampères. Outro fator que corrobora para agrupar as células é o fato de elas serem finas e frágeis, fazendo com que haja a necessidade de proteção das mesmas (KAUFMANN, 2012).

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Figura 2.14 - Painel fotovoltaico (KAUFMANN, 2012).

Na Figura 2.14, é possível observar todas as partes que compõem o painel solar, com a indicação dos componentes usados. Na parte da frente da placa usa-se vidro temperado e antirreflexivo, seguido por um polímero transparente, isolante e termoplástico, conhecido como encapsulante (necessário para proteger os contatos metálicos e as células. Na região de trás da placa tem-se a utilização de uma camada de plástico Tedlar e a placa é montada sobre uma estrutura de alumínio, que tem como função sustentar, proteger e dissipar o calor (KAUFMANN, 2012).

Os painéis fotovoltaicos são então instalados, em série e/ou paralelo, de acordo com as necessidades do projeto, tensão, corrente e potência, como pode ser visto na Figura 2.15.

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Referências

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