O sol é uma grande fonte de energia limpa que é responsável pela existência da maioria das fontes de energia e pela vida na Terra, sendo um recurso que ainda estará disponível pelos próximos milhões de anos. Através da energia emanada pelo sol, na forma de fótons, que ocorrem a maioria dos fenômenos meteorológicos, geológicos, químicos, biológicos, enfim, o sol é o combustível da existência da nossa biosfera e de seus recursos.
O sol é fonte de calor e luz e seu aproveitamento, como energia para geração de eletricidade, é uma das alternativas mais promissoras para contornar a crise de fontes de energias não-renováveis, que geram grandes impactos ambientais e poluidoras. A energia solar é convertida em eletricidade ou armazenada na forma de calor através, respectivamente, das células fotovoltaicas e pelos coletores solares.
O uso da dessa tecnologia, no seu atual estado de desenvolvimento, tem viabilidade econômica apenas em aplicações de pequeno porte como sistemas rurais, serviços profissionais e produtos de consumo. Estudos recentes demostram o aumento da eficiência dos módulos fotovoltaicos e diminuição dos custos de produção e comercialização, o que traz boas expectativas quanto ao aumento do uso dessa tecnologia e sua expansão.
EFEITO FOTOVOLTAICO
O efeito fotovoltaico ocorre em materiais semicondutores. Esses materiais são mais eficientes que os materiais isolantes e menos do que os condutores, eles se caracterizam pela existência da faixa de valência, faixa de condução e faixa de hiato energético, sendo a largura desta última que determina se um material é semicondutor (em média 1eV). Então os fótons, na faixa visível, com energia superior à da faixa de hiato podem provocar a transferência e de elétrons da faixa de valência para a faixa de condução.
Para que a geração de energia elétrica ocorra é necessária a existência de mais dois tipos de materiais, os denominados dopante doador de elétrons (N) e o dopante receptor de elétrons (P), sendo que o doador precisa ter número de elétrons na camada de valência superior a do material semicondutor e o receptor menos elétrons na camada de valência.
Logo se tem um arranjo formado por N, semicondutor e P. Os materiais mais comumente utilizados são o fosforo (N), Silício (semicondutor) e Boro (P). Com esses arranjos os elétrons livres de N passam para P onde encontram buracos (falta de elétrons para satisfazer ligações), que os capturam, ocorrendo um acumulo de elétrons em P, tornando-o parcialmente negativo e uma redução em N, tornando-o parcialmente positivo. O aprisionamento destas cargas originam um campo elétrico permanente que dificultam a passagem de elétrons de N para P.
O efeito fotovoltaico ocorre justamente quando a junção PN é exposta aos fótons, com maior energia que a faixa de hiato do material semicondutor, ocorrendo a geração de pares elétrons-buraco, sendo que onde o campo elétrico não for nulo as cargas serão aceleradas, gerando uma corrente através da junção e esse deslocamento à uma diferença de potencial. Se as duas extremidades do pedaço de Silício forem conectadas por um fio haverá circulação de elétrons, esse é o princípio por trás das células fotovoltaicas.
Figura 1 – Princípio de funcionamento de célula fotovoltaica
CONFIGURAÇÕES BÁSICAS
As configurações de um sistema fotovoltaico podem ser do tipo isolado, híbrido ou conectados à rede. A escolha da configuração depende de muitos fatores, desde a disponibilidade de área para instalação até a disponibilidade de recursos energéticos. Por exemplo, caso um sistema fotovoltaico seja instalado em uma região com baixa incidência solar e se pretende alcançar uma geração de energia além da disponibilidade de recursos energéticos, a solução seria montar um sistema híbrido, composto por um sistema fotovoltaico e um eólico para se obter a geração de energia requerida. E isso também dependerá da disponibilidade de recursos favoráveis à geração eólica.
Figura 2 – Configuração Básica de Sistema Fotovoltaico
Portanto, sistema híbrido é quando a configuração do sistema não se restringe a geração de energia fotovoltaica, sistema isolado é quando a geração de energia parte unicamente de sistema fotovoltaico e sistemas conectados à rede é quando o destino da energia gerada é a rede de energia administrada com alguma companhia de energia.
Em sistemas isolados ou híbridos a energia gerada necessita de armazenamento, que pode ser em baterias, na forma de energia potencial, ar comprimido, etc. Geralmente o sistema híbrido é utilizado para atendimento a cargas de corrente alternada, sendo necessário a existência de um inversor para se obter essa conversão.
Figura 3 – Exemplo de Sistema Híbrido
Os sistemas conectados à rede é quando o sistema disponibiliza diretamente a energia gerada para a rede elétrica convencional, sendo necessário um inversor.
Figura 4 – Sistema Conectado à Rede
COMPONENTES FORMADORES DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO
O sistema fotovoltaico básico é formado por módulos em painéis e demais equipamentos de convertem e armazenam energia elétrica para uso posterior. Sendo normalmente composto por três partes: arranjo dos módulos, que é composto por células fotovoltaicas conectadas em arranjos que produzem tensão e corrente para uso da energia; o subsistema de condicionamento de potência, onde ocorre a conversão da energia saída do arranjo em potência própria para uso; e pelas baterias, que armazenam a energia gerada.
A célula fotovoltaica é responsável por converter a energia solar em energia elétrica, através do efeito fotovoltaico. Os semicondutores utilizados nas células fotovoltaicas devem ser os mais eficientes, ou seja, os que se obtêm maior produto corrente-tensão para a luz visível. O processamento do semicondutor, para uso nas células, ocorre em etapas de purificação e dopagem. As células fotovoltaicas mais comuns são: Silício Monocristalino, Silício Multicristalino e Filmes Finos. Cada célula fotovoltaica pode gerar até 0,4 Volts, sendo possíveis alcançar tensões maiores ao conectar várias células em série.
Além dos componentes que integram um sistema fotovoltaico, outros parâmetros devem ser levados em consideração para se obter maior eficiência como: a geometria e encapsulamento das células, voltagem do circuito aberto e corrente de curto-circuito, curva característica IxV, arranjo dos módulos, tipo de bateria, e outros parâmetros de dimensionamento que deveram ser projetado visando um objetivo previamente planejado.
ENERGIA FOTOVOLTAICA NO BRASIL
O índice de radiação solar no Brasil é ideal para a geração de energia a partir dessa fonte de energia. Na região semiárido se têm valores de radiação solar que variam de 1752 à 2190 kWh/m² por ano de incidência. O Brasil foi um dos pioneiros na fabricação e comercialização de células fotovoltaicas a partir de Silício Monocristalino. A primeira fábrica de módulos fotovoltaicos data de 1979, realizado pela FoneMatl, empresa do ramo de telecomunicações, que produzia módulos para atender o seguimento de telecomunicação. Atualmente o mercado nacional é atendido por empresas multinacionais.
No Brasil existem diversos projetos, em planejamento ou operação, para utilização da energia fotovoltaica visando, principalmente, seu uso em comunidades isoladas da rede elétrica e no desenvolvimento regional, pode-se citar o programa Luz no Campo, no Estado da Bahia, que foi financiado pela ONG Winrock e o projeto Eldorado, que implantou um projeto piloto com sistema de bombeamento fotovoltaico no Estado do Ceará.
A seguir é listado alguns sistemas fotovoltaicos instalados no Brasil:
- Sistema de bombeamento fotovoltaico para irrigação: Instalado no município de Capim Grosso no açude Rio dos peixes, é formado por 16 painéis fotovoltaicos. Sendo instalado em um sistema de balsa flutuante ancorada, devido as variações sazonais do nível de água do açude. Em época de cheia bombeia à uma distância de até 350 metros, tendo vazão de 12m³/dia;
- Sistema de Eletrificação Residencial no Ceará: Parte do programa Luz do Sol, realizado em acordo entre NREL (National Renewable Energy Laboratory) /CEPEL (Centro de Pesquisas de Energia Elétrica) /COELCE (Companhia Energética do Ceará), o sistema foi instalado em diversas partes do interior do Ceará. Atende cerca de 492 residências, tendo potência de 30,74 kWp instalada;
- Sistema Hibrido (Solar-Eólico-Diesel): Instalado na comunidade de Joanes-PA com equipamentos doados pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, acompanhado pela NREL e o CEPEL. No período de projeto foram registrados média anual de velocidade do vento, 6,6m/s, e a média diária de radiação solar, 5,3kWh/m². O que tornou viável a instalação do sistema, abastecendo 170 unidades consumidoras na região.
- Sistema Fotovoltaicos em Parques Ecológicos: Instalado no Parque ecológico Porto Sauípe – BA: o sistema é formado por um painel fotovoltaico de 1,4kWp, fornecendo energia em corrente contínua para um banco de baterias, passando por um inversor, que alimenta luminárias, equipamentos de informática e sistemas de áudio e vídeo do Posto;
- Sistema de Telefonia Pública utilizando Energia Fotovoltaica: Instalado em Maceió-AL: financiado pela TELASA (Telecomunicações de Alagoas S.A), o sistema consiste em um módulo fotovoltaico que gera energia suficiente para o pleno funcionamento de um telefone público sendo a energia armazenada em bateria, alimentando a cabine telefônica durante a noite.
CONSIDERAÇÕES SOBRE A ENERGIA FOTOVOLTAICA
A energia solar apresenta grande potencial energético, para uso em pequenas e grandes escalas, é uma energia limpa, que não gera impactos diretos no meio ambiente, e, no Brasil, apresenta grande oferta de radiação para aproveitamento da mesma. Os principais entraves para a maior difusão dessa tecnologia é em relação aos seus custos de instalação, que demoram para ser liquidados após investimento, a área requerida para sua instalação e sua eficiência, que é baixa em relação à outros tipos de energia (térmica, hídrica, nuclear, etc.), deixando a energia fotovoltaica menos atrativa. Porém, espera-se que com o aumento das tecnologias para aproveitamento de radiação solar a eficiência dos painéis solares aumente consideravelmente, tornando o investimento no sistema economicamente viável para grande parte da população.
O aumento do uso da energia solar para geração de energia elétrica traz diversos benefícios ao meio ambiente, pois deixa de se utilizar tecnologias que agridem de forma direta a biota e ecossistemas como as hidrelétricas e termoelétricas, não gera resíduos poluidores, depende de uma fonte de energia fixa de grande duração, tempo de vida útil de um painel solar é em média de 25 anos e tem baixos gastos com manutenção.
Autor
Elizeu Vasconcelos
Consultor Ambiental
