Energia Solar Fotovoltaica



1. Energia Solar Fotovoltaica

     Área da ciência e tecnologia que trata da conversão direta da energia solar em energia elétrica e suas aplicações.



2. Célula Solar de Silício Cristalino

     A Figura 1 apresenta um diagrama de uma célula solar convencional. A estrutura mais básica é composta de uma lâmina de silício na qual são introduzidas impurezas doadoras, denominadas de tipo n, ou aceitadoras, denominadas de tipo p, e de contatos metálicos na face frontal e posterior. Em consequência, é criado um campo elétrico no interior do material. Para diminuir a reflexão dos raios solares, deposita-se sobre a superfície um filme antirreflexo. Ao incidir radiação solar, produz-se tensão e corrente elétrica se o dispositivo for conectado a um circuito externo.

Figura 1: Diagrama de uma célula solar.

     As melhores células de silício fabricadas em laboratório atingem eficiências de 24,7% e na indústria são obtidas eficiências de até 22%, porém com desenhos bastante complexos. Em linhas industriais convencionais, fabricam-se células de 12% a 15% de eficiência.



3. O Módulo Fotovoltaico

     Um módulo fotovoltaico é constituído de células solares associadas eletricamente e, geralmente, em série. A maioria dos módulos convencionais encontrados no mercado são constituídos de 36 células solares de silício. Consequentemente, a tensão de circuito aberto, isto é, a diferença de potencial quando a corrente elétrica é nula, é da ordem de 20 V. A potência do módulo, sob condições padrão, é variável desde 10 W a 150 W. Em consequência, o tamanho do dispositivo varia entre 0,2 m2 a 1,5 m2.

     Após serem soldadas, as células são encapsuladas com a finalidade de isolá-las do exterior e protegê-las das intempéries, bem como para dar rigidez ao módulo. O módulo, como mostra a Figura 2, é constituído das seguintes camadas: vidro de alta transparência e temperado, acetato de etil vinila (EVA), células solares, EVA e filme de fluoreto de polivinila (Tedlar) ou vidro. A seguir, é colocado o marco de alumínio, para dar o acabamento e facilitar a instalação. A durabilidade destes módulos é superior a 30 anos e atualmente está determinada pela degradação dos materiais usados no encapsulamento, ou seja, a durabilidade das células solares de silício cristalino é bastante superior.

Figura 2: Constituição de um módulo fotovoltaico.

     Além dos módulos fotovoltaicos convencionais, existem os módulos concentradores de radiação solar. Alguns são projetados para serem fixados em estruturas, como os convencionais, denominados módulos fotovoltaicos concentradores estáticos. Outros, como o ilustrado na Figura 3, estão associados a um mecanismo para seguir o movimento aparente do Sol. O objetivo da concentração da radiação solar é reduzir o custo do módulo fotovoltaico pela diminuição da área de células solares e o acréscimo de um sistema óptico de baixo custo.

Figura 3: Módulo fotovoltaico concentrador desenhado para acompanhar o movimento do Sol ao longo do dia.



4. Sistemas Fotovoltaicos

     Os sistemas fotovoltaicos fornecem energia elétrica a uma determinada demanda energética, usando como fonte de energia a radiação solar. Portanto, o custo total resume-se no investimento inicial. Além disso, quase não necessitam de manutenção e são de fácil instalação. No entanto, por depender diretamente das flutuações naturais da radiação solar, a energia elétrica produzida é variável durante o dia e ao longo do ano. Por este motivo, em algumas situações, são necessários sistemas de armazenamento de energia. Os sistemas fotovoltaicos dividem-se em: autônomos e conectados à rede elétrica convencional.

     Na Figura 4 representa-se um esquema de um sistema fotovoltaico autônomo, que proporciona energia elétrica em residências ou povoados em locais isolados. É constituído essencialmente de um conjunto de módulos e baterias recarregáveis associadas a controladores de carga. Durante os dias com elevados valores de radiação solar, os módulos produzem energia elétrica. A quantidade de energia que não é utilizada pelos usuários é armazenada nas baterias. Durante a noite e nos dias nublados, a energia para o consumo é fornecida pelas baterias. Neste caso, a tensão proporcionada é contínua e os instrumentos usados devem enquadrar-se a esta característica. Se há necessidade de tensão alternada, associa-se ao sistema um inversor, que transforma a tensão contínua em alternada.

     No entanto, para que apresentem um ótimo desempenho e o menor custo é necessário um dimensionamento adequado. O dimensionamento de um sistema fotovoltaico autônomo consiste basicamente em encontrar a área do conjunto de módulos e a capacidade das baterias que melhor se enquadram à demanda energética, à distribuição da radiação solar local e à probabilidade de perda de carga (LLP) desejada e que resulta no menor custo da instalação.

Figura 4: Esquema de um sistema fotovoltaico autônomo.

     Um sistema para bombeamento de água desde poços ou rios, também é considerado um sistema autônomo. Classificam-se em sistemas com tensão contínua e alternada. No primeiro caso, o conjunto de módulos fornece energia a um motor que está acoplado a uma bomba de superfície. Nos sistemas que operam com tensão alternada, o inversor está acoplado aos módulos e à bomba submersa. Neste caso, também varia a quantidade de água bombeada em função da radiação incidente. Nos sistemas de bombeamento não são necessárias baterias para armazenar energia, pois o próprio reservatório de água serve para esta finalidade.

     Os sistemas autônomos encontram também aplicações agropecuárias, como por exemplo, em granjas e fazendas, podendo ser usados para irrigação, cercas elétricas, ventilação, etc. A iluminação pública, de jardins, parques, sistemas de telefones em autoestradas, geladeiras para conservação de remédios, etc. são outras aplicações deste tipo de sistema.

     Por outro lado, os sistemas conectados à rede estão voltados principalmente para atender a população usuária da rede elétrica convencional. Dividem-se em sistemas residenciais e centrais de médio e grande porte. Na Figura 5 representa-se um esquema de um sistema fotovoltaico que injeta energia elétrica na rede. Os módulos podem ser colocados no telhado ou nas fachadas das casas ou edifícios. Estes sistemas trocam energia com a rede. No momento em que a produção de energia é maior que o consumo, o sistema "vende" para a companhia elétrica e quando é inferior, "compra".

Figura 5: Esquema de um sistema fotovoltaico residencial conectado à rede elétrica convencional.