3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. 3.1 Histórico da tecnologia fotovoltaica

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1 4 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 Histórico da tecnologia fotovoltaica O processo de obtenção de energia elétrica diretamente da radiação solar é denominado de efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel que verificou uma pequena diferença de potencial em placas metálicas, de platina ou prata, mergulhadas num eletrólito, quando expostas à luz (BEQUEREL, 1839). Mais tarde, em 1877, dois inventores norte americanos, W. G. Adams e R. E. Day, utilizaram as propriedades fotocondutoras do selênio para desenvolver o primeiro dispositivo sólido de produção de eletricidade por exposição à luz, ou seja, a primeira célula solar (ADAMS et al, 1877). Esta célula consistia em um filme de selênio 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 comercializou células de selênio como fotômetros para máquinas fotográficas. Entretanto, só após os grandes desenvolvimentos científicos da primeira metade do século XX a tecnologia das células fotovoltaicas foi consolidada. A explicação do efeito fotoelétrico por Albert Einstein em 1905 (que lhe rendeu o prêmio Nobel de Física), o advento da mecânica quântica e, em particular, a teoria de bandas e a física dos semicondutores, tornaram possível a construção de células com uma melhor eficiência. As descobertas acidentais e o desenvolvimento empírico nunca levariam a ultrapassar o limiar de eficiência que a tornou viável. A história da primeira célula solar moderna começou em Março de 1953 quando Calvin Fuller, um químico dos Bell Laboratories, em Murray Hill, New Jersey, nos Estados Unidos da América, desenvolveu um processo de difusão para introduzir impurezas em cristais de silício, de modo a controlar as suas propriedades elétricas (um processo chamado dopagem ). Fuller produziu uma barra de silício dopado com uma pequena concentração de gálio, que o torna condutor, sendo as cargas móveis positivas (e por isso é chamado silício do tipo p ). Seguindo as instruções de Fuller, o físico

2 5 Gerald Pearson, seu colega nos Bell Labs, mergulhou esta barra de silício dopado num banho quente de lítio, criando assim na superfície da barra uma zona com excesso de elétrons livres, portadores com carga negativa (e por isso chamado silício do tipo n ). Na região onde o silício tipo n fica em contato com o silício tipo p, a junção p-n, surge um campo elétrico permanente. Pearson verificou que, quando exposta à luz, esta amostra produzia uma corrente elétrica, de fato ele tinha acabado de fazer a primeira célula solar de silício (PERLIN et al, 2004). O grupo encontrou alguns problemas quando continuou o estudo da nova célula. Um deles é que a célula revelava uma resistência-série muito alta, devido à dificuldade em soldar contatos elétricos ao material. Por outro lado, mesmo à temperatura ambiente, verificaram que o lítio, utilizado para fazer o contato, migrava para o interior do silício, pelo que a junção p-n (a zona ativa da célula solar) ficava cada vez mais profunda e inacessível aos fótons da radiação solar, diminuindo assim a eficiência da célula. Fuller experimentou fazer a dopagem do tipo n usando uma difusão de fósforo, e obteve uma junção p-n mais estável do que a anterior. Porém, o problema dos contatos persistia. Foi então que Fuller substituiu o gálio por arsênio (formando um substrato do tipo n) seguido por uma difusão de boro (formando uma zona do tipo p à superfície). As novas células podiam agora ser facilmente soldadas e revelaram uma eficiência recorde de 6%, bem maiores que a eficiência de 1% da primeira célula concebida. A priori a aplicação da energia fotovoltaica era puramente espacial. Já no fim da década de 50, satélites como o norte-americano Vangard e o russo Sputinik foram lançados ao espaço com módulos FV acoplados. Anteriormente, em 1985, células de silício tinham sido experimentadas como fonte de alimentação de uma central telefônica local em Americus, na Geórgia, Estados Unidos da América. As aplicações terrestres para a energia fotovoltaica, no entanto, só foram amplamente difundidas na década de 70, impulsionadas pela crise energética da época (WILLEKE, 2004). Na década de 80, com a redução de custos de fabricação e a utilização de novos materiais, foi possível reduzir cerca de dez vezes o preço da energia solar, o que permitiu a introdução de forma competitiva em inúmeras aplicações terrestres, muitas delas num primeiro momento para utilização em localidades afastadas para alimentação de dispositivos de telecomunicação ou coleta de dados. A seguir vieram as aplicações para fornecimento de energia, também para localidades remotas e, logo após, para bombeamento d'água. Não se pode esquecer de mencionar também o enorme impulso

3 6 dado pela indústria eletroeletrônica japonesa com o lançamento das conhecidas calculadoras solares. As pequenas células solares de silício amorfo utilizadas nas calculadoras, se somadas em termos de potência, representavam no final da década de 80 praticamente o mesmo volume de todos os módulos solares já fabricados até então para outras aplicações. O desenvolvimento acelerado da indústria fotovoltaica se deu na década de 90. Visando ampliar os horizontes para utilização em massa da energia solar como opção energética, inúmeros programas mundiais foram lançados para demonstração da viabilidade técnica-comercial da energia solar fotovoltaica em projetos de eletrificação rural em países em desenvolvimento. Criou-se, então, o conceito de SHS (Solar Home System), um kit composto por um módulo solar, uma bateria e demais acessórios que podia substituir com vantagens os combustíveis tradicionais utilizados ainda por milhões de pessoas em todo o mundo para geração de eletricidade. Estimativas levam a crer que cerca de 30% da população mundial, aproximadamente 2 bilhões de pessoas, ainda vivam nestas condições, dependendo de carvão ou biomassa tradicional para cozinhar alimentos e usando velas, pilhas, querosene e diesel para geração de eletricidade. No decorrer de todo tempo de uso da tecnologia fotovoltaica a baixa eficiência das células solares sempre consistiu em uma grande preocupação para os pesquisadores. Atualmente, grandes avanços têm sido obtidos no desenvolvimento de células: contatos localizados de forma a promover baixa resistência série, superfícies anti-reflectivas, armadilhas óticas, células bi-faciais, células com multijunção para melhor aproveitamento do espectro solar, entre outros, são objetos de estudo nos grandes centros de pesquisa de energia solar com o objetivo de melhorar a eficiência das células e assim tornar a tecnologia mais viável técnica-comercialmente. 3.2 Conceitos básicos da conversão FV; A conversão direta de energia solar em energia elétrica é conhecida como efeito fotovoltaico. Mais especificamente, o efeito fotovoltaico ocorre em materiais semicondutores, que se caracterizam pela presença das bandas de energia de valência e

4 7 de condução. Não havendo excitação do sistema, só a banda de valência desses materiais possui elétrons. Entretanto na presença de excitação (luz, no caso do efeito FV) em que sua energia está relacionada a uma freqüência ν, alguns elétrons passam a banda de condução permitindo a passagem de corrente elétrica (Figura 1). Figura 1: Efeito fotovoltaico sobre um material semicondutor. Onde: h cte de plank; ν freqüência do fóton incidente; ν freqüência do fóton refletido. O semicondutor mais utilizado é o silício. Seus átomos possuem quatro elétrons na camada de valência, que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarmos átomos com cinco elétrons de valência, como o antimônio, por exemplo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado, sendo este fracamente ligado ao átomo. Isto faz com que, com pouca energia térmica, este passe para a banda de condução. Diz-se assim, que o antimônio é um dopante doador de elétrons e denomina-se dopante n ou impureza n. Ao introduzirmos átomos com apenas três elétrons de valência, como é o caso do alumínio, haverá uma falta de um elétron para realizar as ligações com os átomos de silício. Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna. Com pouca energia térmica, um elétron vizinho pode passar a esta posição, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se, portanto, que o alumínio é um aceitador de elétrons ou um dopante p.

5 8 Figura 2: Semicondutor extrínseco ou dopado : a) tipo n; b) tipo p. A partir de um substrato de silício puro, introduzindo-se em cada metade átomos como o antimônio e alumínio ou quaisquer outros com características eletrônicas similares, será formado o que se chama junção pn. O que ocorre nesta junção é que elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam, dando origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o lado p. Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que a do seu bandgap, ocorrerá a geração de par elétron-buraco. Ocorrendo na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção. Este deslocamento de cargas cria uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Esta é a base do funcionamento das células fotovoltaicas (REZENDE, 1996). A célula solar trata-se, tipicamente, de uma fonte de corrente. Mesmo quando não há incidência de fótons existe uma pequena corrente de fuga na junção pn. Esta corrente é denominada corrente de saturação reversa (Is) e está presente em qualquer dispositivo semicondutor com junção pn, no caso de células fotovoltaicas a mesma recebe o nome de corrente de escuro, pois ocorre quando não há incidência de luz. A intensidade da corrente gerada pela célula, em função da tensão em seus terminais, nestas condições é dada pela eq.(1). Onde: e V / kb T I = I ( e 1) (1) e s

6 9 Is = corrente de saturação reversa; e = carga elétrica de um elétron (1,6 x C); V = diferença de potencial entre os terminais; k B = Constante de Boltzmam; T = Temperatura. Entretanto na presença de luz surge uma corrente na junção que depende, dentre outros fatores, da potência incidente na área efetiva da junção. A esta corrente dá-se o nome de corrente fotogerada. I L ηq e PL λ = (2) hc Onde: η Q = eficiência quântica de conversão(depende do material utilizado); P L = Potencia incidente na área efetiva da junção P L = A (em que é a intensidade de radiação absorvida e A é a área de incidência); = Comprimento de onda da radiação; c = velocidade da luz. Esta corrente, por sua vez tem sentido contrário a da corrente de escuro e, com isso, a equação da corrente gerada pela célula fotovoltaica é dada por: e V / kb T I e = I s ( e 1) Fazendo uma simples simulação podemos obter a curva característica (IxV) da célula fotovoltaica parametrizada por P L. A Figura 3 apresenta esta curva característica, onde Vca é a tensão de circuito aberto e Icc a corrente de curto circuito. I L (3)

7 10 Corrente Vca Tensão Icc PL=0 PL1>0 PL2>PL1 Figura 3: Curva caracterítica (VxI) de uma célula fotovoltaica. A Figura 4 mostra o circuito elétrico equivalente de uma célula fotovoltaica. A fonte de corrente, I L, representa a corrente elétrica gerada pelo feixe de radiação luminosa, constituído por fótons, ao atingir a superfície ativa da célula (efeito fotovoltaico); esta corrente unidirecional é constante para uma dada radiação incidente. Figura 4: Circuito equivalente de uma célula fotovoltaica alimentando uma carga A junção p-n funciona como um diodo que é atravessado por uma corrente interna unidirecional I D, que depende da tensão V aos terminais da célula. A resistência em série R S é um parâmetro de ajuste, que corresponde à queda de tensão interna que se observa numa célula. A corrente que percorre a carga é dada por I e = I L I D Devido à baixa tensão e corrente de saída em uma célula fotovoltaica (corrente máxima por volta de 3A e tensão muito baixa, em torno de 0,7V), agrupam-se várias

8 11 células formando um módulo. O arranjo das células nos módulos pode ser feito conectando-as em série ou em paralelo. A conexão mais comum de células fotovoltaicas em módulos é o arranjo em série. Este consiste em agrupar o maior número de células em série onde soma-se a tensão de cada célula chegando a um valor final adequado às aplicações práticas. As células solares são comercialmente disponíveis na forma de módulos fotovoltaicos (conjunto de células interligadas), cuja tensão gerada encontra-se em torno de 15 a 20 volts. Este faixa de tensão é padronizada porque em grande parte dos sistemas fotovoltaicos é empregado um banco de baterias para regularizar o suprimento de energia para os períodos de baixa insolação. Assim, os módulos são utilizados, nos períodos de alta insolação, como carregadores de baterias que, tipicamente, têm 12 volts como valor nominal de tensão. Para sistemas que requeiram mais potência, como por exemplo, aqueles destinados a eletrificação rural, é necessário criar um arranjo de módulos em série e/ou em paralelo para se obter a potência necessária demandada pela carga. Esses arranjos são chamados de painéis fotovoltaicos. 3.3 Tipos de Células FV As células fotovoltaicas são fabricadas, na sua grande maioria, usando o silício (Si) e podem ser constituídas de cristais monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo. Existem também células de outros materiais, tais como, germânio (Ge), arseneto de gálio (GaAs), arseneto de alumínio (AlAs), arseneto de gálio e alumínio (Ga 1-x Al x As), arseneto de gálio e índio (GaInAs) sulfeto de cádmio (CdS), sulfeto de cobre (Cu 2 S), dentre outros. Também podem ser fabricadas células provenientes de heterojunções dos materiais acima citados.

9 Células de silício A célula de silício monocristalino é historicamente a mais usada e comercializada como conversor direto de energia solar em eletricidade e a tecnologia para sua fabricação é um processo básico muito bem constituído. A fabricação da célula de silício monocristalino começa com a extração do cristal de dióxido de silício. Este material é desoxidado em grandes fornos, purificado e solidificado. Este processo atinge um grau de pureza em 98 e 99% o que é razoavelmente eficiente sob o ponto de vista energético e custo. Este silício para funcionar como células fotovoltaicas necessita de outros dispositivos semicondutores e de um grau de pureza maior devendo chegar na faixa de 99,9999%. Como o silício é um material que possui um alto coeficiente de reflexão, uma boa fração dos fótons incidentes tende a refletir. Por esta razão, um revestimento antireflexo é aplicado no topo da célula para reduzir a perda de reflexo para menos de 5%. Também é aplicada uma placa de cobertura de vidro que protege a célula dos fenômenos atmosféricos e uma rede de contato que fará a ligação interna da célula. Montando toda esta estrutura em uma conexão de várias células (geralmente 36) em séries e em paralelo para atingir níveis úteis de tensão e corrente e colocando-as em uma forte estrutura completa com terminais positivos e negativos na parte de trás, têm-se módulos fotovoltaicos comerciais Figura 5. Figura 5: Estrutura básica de uma célula FV de silício genérica: a) vidro de cobertura; b) revestimento anti-reflexo; c) rede de contato; d) Si tipo n; e) Si tipo p; f) contato posterior. As células de silício policristalino são mais baratas que as de silício monocristalino por exigirem um processo de preparação das células menos rigoroso. O processo de pureza do silício utilizada na produção das células de silício policristalino é

10 13 similar ao processo do Si monocristalino, o que permite obtenção de níveis de eficiência compatíveis, porém inferiores. Cada técnica produz cristais com características específicas, incluindo tamanho, morfologia e concentração de impurezas. Ao longo dos anos, o processo de fabricação tem alcançado eficiência máxima de 12,5% em escalas industriais. Figura 6: Tipos de células convencionais de silício: a) monocristalino; b) policristalino; c) amorfo. Uma célula de silício amorfo difere das demais estruturas cristalinas por apresentar alto grau de desordem na estrutura dos átomos. A utilização de silício amorfo para uso em fotocélulas tem mostrado grandes vantagens tanto nas propriedades elétricas quanto no processo de fabricação. Por apresentar uma absorção da radiação solar na faixa do visível e podendo ser fabricado mediante deposição de diversos tipos de substratos, o silício amorfo vem se mostrando uma forte tecnologia para sistemas fotovoltaicos de baixo custo. Mesmo apresentando um custo reduzido na produção, o uso de silício amorfo apresenta duas desvantagens: a primeira é a baixa eficiência de conversão comparada às células mono e policristalinas de silício; em segundo, as células são afetadas por um processo de degradação logo nos primeiros meses de operação, reduzindo assim a eficiência ao longo da vida útil. Para melhorar o desempenho das células FV é comum submete-las a sistemas de concentração, que condensam a energia proveniente dos raios solares na superfície da célula. Entretanto, pra que células de silício sejam capazes de gerar mais energia em sistemas concentrados elas devem ser fabricadas com um alto nível de dopagem, de modo a permitir a formação do maior número de pares elétrons-buracos possível (ou desejável). Campbell et al (1986) apresentam um cálculo para os limites de eficiência de células solares quando submetidas à concentração. É mostrado que quando a luz é

11 14 concentrada os processos de recombinação, em especial a recombinação Auger, são mais importantes do que para luz não concentrada. Esse tipo de recombinação ocorre quando um elétron com energia em excesso recombina com o buraco e libera energia a um segundo elétron (ou na faixa de valência de condução) em vez de emitir luz. Nas células solares fabricadas especialmente para sistemas com concentração, é verificada a recombinação Auger em níveis consideráveis, pois o nível de dopagem é alto e as mesmas são submetidas a níveis de energia elevados (GREEN, 1982). Entretanto, a luz capturada pode ser mais eficiente quando concentrada, pois tem uma direção de incidência melhor definida. Como resultado apresenta que os limites de eficiência das células com concentração gira em torno de 36 e 37%, sem considerar outras perdas, o que representa um ganho para o limite de 29,8% para células sem concentração. Porém, para a célula alcançar este limite é necessário que sua espessura seja otimizada para a razão de concentração desejada e que o ângulo de aceitação seja correspondente à expansão angular da luz que incide no sistema de concentração. Essas condições são colocadas pelo fato que a absortância da célula varia com a sua espessura e com seu ângulo de aceitação. A Figura 7 mostra os resultados da densidade de corrente gerada em função e os ângulos de aceitação ideais calculados.

12 15 Figura 7: Máxima corrente de curto-circuito como função da espessura da célula e do ângulo de aceitação (CAMPBELL et al, 1986). Em e meados dos anos 90, nos Estados Unidos, o Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL DOE) realizou pesquisas em células de alta eficiência de silício apresentando significativos avanços. Células com 27,5% de eficiência (a 100 sóis) foram produzidas e testadas (SLADE et al., 2005). Swanson (2000), fez uma análise das razões por que os sistemas com concentração não ganharam uma parte significativa do mercado. Em seu trabalho é apresentada uma comparação de vários sistemas de coletores planos e de concentração FV de médio e grande porte e feitos cálculos do custo esperado de energia de forma a se ter o menor custo possível. Os sistemas foram projetados utilizando metodologias semelhantes e um conjunto de suposições comum. Mostra-se a viabilidade da inserção de centrais fotovoltaicas de médio e grande porte no mercado e que, economicamente, não há diferenças significativas no custo projetado que levem a uma conclusão definitiva do melhor sistema dentre os que foram estudados. No Japão, a Toyota Tech Inst. tem desenvolvido células de silício de baixo custo (com processo de fabricação simplificado) sob concentração de 10 a 15 sóis e com um tempo de vida τ = 5µs resultando numa com eficiência de 19,5%. Com isso, e com outro trabalho que vêm sendo desenvolvidos, estima-se que em 2030 o custo da energia fotovoltaica no Japão seja de 7 Yen/kWh ( 746 U$/kWh), bem abaixo de 50 Yen/kWh

13 16 ( 5334U$/kWh) que era o valor na época da pesquisa (YAMAGUCHI et al., 2003). Mais recentemente, a Fraunhofer ISE, empresa alemã, desenvolveu células de silício com eficiência de 24% para uma concentração de 63 sóis (MOHR et al., 2004). Dentre as células fotovoltaicas que utilizam o silício como material base, as monocristalinas são, em geral, as que apresentam as maiores eficiências. As fotocélulas convencionais atingem uma eficiência de até 15% podendo chegar em 18% em células feitas em laboratórios. Entretanto, existem células mais eficientes desenvolvidas em centros de pesquisa e algumas até disponíveis comercialmente Células de multijunção Uma forma para que a eficiência seja melhorada é usar duas ou mais camadas de materiais diferentes com espaçamento entre as bandas diferentes. O material que tem espaçamento maior entre as bandas fica na superfície, absorvendo os fótons de alta energia, enquanto permite que os fótons de energia mais baixa sejam absorvidos pelo material, logo abaixo, que tem espaçamento entre as bandas menor. Esta é a técnica em que se baseia as células de multijunção que podem ser muito mais eficientes. Uma forma de obter células de multijunção é a de deposição sucessiva, que consiste em empilhar estruturas similares para obter melhores níveis de transparência ótica e de condutividade de corrente. Na construção de tais células é colocada entre as camadas uma junção intermediária de tunelamento que insere, naturalmente, uma nova barreira potencial. É interessante, porém, que, esta junção de tunelamento tenha o maior nível de dopagem possível a fim de que se aumente o tunelamento dos portadores majoritários. Para este tipo de célula são utilizados concentradores óticos (ANDREEV, 1997). Uma outra forma de construir células de multijunção é inserindo contatos ôhmicos entre as camadas. Logicamente, a inserção desses contatos gera perdas óticas e resistivas na célula.

14 17 Figura 8: Corte lateral de uma célula de multijunção (InGaP/(In)GaAs/Ge). As pesquisas com células de multijunção iniciaram no anos 80. Em 1994 o Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL- DOE) quebrou a barreira dos 30% de eficiência utilizando células de arseneto de gálio como elemento base (ou substrato). (SLADE et al., 2005). Um levantamento do estado da arte da tecnologia de concentradores de energia solar foi feito por Bett, et al. (2006). Para tal, os autores fazem um levantamento dos fabricantes e principais empresas revendedoras de tais equipamentos. A Tabela 1 mostra o resultado da pesquisa Tabela 1: Pricipais fabricantes e revendedores de células de alta eficiência. Fabricante Revendedora País Spectrolab Pyron; LLC EUA Amonix EUA Entech Emcore EUA EUA Fraunhofer Concentrix Solar Alemanha Gren and Golden Energy Austrália Daido Steel Sharp Japão SolG3 Espanha

15 18 Apesar de apresentarem resultados semelhantes no que diz respeito a eficiência dos sistemas os fabricantes utilizam células de vários tipos e diferentes técnicas de concentração. Concentradores parabólicos, cilídricos, ou mesmo concentradores óticos tipo lentes de Fresnel são utilizados. A Figura 9 apresenta alguns dos sistemas já instalados no mundo. Figura 9: Painéis solares de células de alta eficiência instalados. Em cima, painéis da Amonix na Califórnia. Em baixo à esquerda painel da Green and Golden Energy, Austrália e à direita da SolG3, Espanha. Neste mesmo trabalho, é apresentado um gráfico que mostra o desenvolvimento da eficiência das células FV s durante os anos. É importante notar o avanço desproporcional das células de multijunção em relação às outras, chegando a alcançar valores próximo de 40%.

16 19 Figura 10: Histórico do desenvolvimento de células fotovoltaicas. Fonte: (BETT, et al. 2006). Em 2006 a eficiência recorde de 40.7% foi obtida pela empresa Spectrolab utilizando células de multijunção também com arseneto de gálio como elemento base. Recentemente, julho de 2007, a eficiência de 40,7 % foi superada por uma célula desenvolvida na Universidade Delaware que atingiu 42,7 %. Por esta razão, as atuais perspectivas da tecnologia indicam para sucessivos avanços que podem levar, em um futuro próximo, as células solares a atingirem 50 % de eficiência. O uso de células de multijunção com elevadas concentrações parece ser a tendência mundial para solucionar a questão da baixa eficiência da energia FV. Entretanto, as células de 42,7 %, mencionadas, operam com uma ótica conceitualmente diferente que separa o espectro solar em três regiões e as concentra em células constituídas por materiais sensíveis a essa radiação. A ótica e a célula constituem um conjunto único, a concentração é de 20 sóis e a associação célula-ótica não requer de dispositivos de rastreamento. Uma nova tecnologia de concentração desenvolvida pela Isofoton em parceria com a Universidade de Madri tem atingido uma concentração de 1000 sóis. A esta tecnologia foi denominada de total reflexão e refração interna (TIR-R). A mesma utiliza um elemento ótico secundário que permite um ângulo de aceitância menor que 1º (BETT, et al. 2006).

17 Ótica básica para coleção de Radiação Solar; A análise óptica da energia solar abrange desde as características da radiação emitida pelo Sol até as diferentes técnicas implementadas para coleção desta radiação em relação as diversas aplicações. Especificamente, a análise de coletores solares consiste no cálculo da quantidade de radiação que é absorvida por um absorvedor. Para coletores fotovoltaicos, cujas células são feitas de material semicondutor e cujos módulos são cobertos, normalmente, com vidro, a quantidade de radiação coletada depende dos coeficientes de absorção da célula e transmissão da cobertura Interação da luz com o semicondutor Um raio de luz monocromático, ao incidir em um semicondutor, terá uma fração da potência incidente refletida, R, enquanto o resto é transmitida, T, no interior do semicondutor. 2 2 ( n 1) + k R = (5) 2 2 ( n 1) k Onde n e k são, respectivamente, as componentes reais e complexas do índice de refração do semicondutor n c. Tomando como exemplo o silício, que é o semicondutor mais abundante da natureza, e substituindo os valores correspondentes para todos os comprimentos de onda de interesse da geração solar, tem-se que 30% da luz incidente é refletida (GREEN, 1982). O resto da luz é transmitida no semicondutor e tem sua energia utilizada para excitar elétrons para níveis mais elevados de energia. É desejável que essa energia seja maior que a energia de banda proibida de forma que o elétron atinja a banda de condução. Essa luz transmitida é atenuada ao passar pelo semicondutor e a taxa de absorção é proporcional a intensidade (fluxo de fótons) para um dado comprimento de onda.

18 21 o ( x) = ( xo) e α ( x x ) (6) Onde: (x) = Irradiância em uma profundidade x do semicondutor; (x o ) = Irradiância na superfície do semicondutor; α = coeficiente de absorção do semicondutor. Este coeficiente de absorção também varia com a energia do fóton incidente, pois à medida que esta aumenta o valor do momento do cristal chega próximo do necessário para ocorrer uma transição de um elétron do estado de valência para o de condução, determinando, deste modo, o quanto a radiação (fóton) irá penetrar no semicondutor. Sendo assim, temos que α = α (hf), sendo hf o produto entre a constante de plank e a freqüência do fóton que determina a sua energia. A Figura 10 apresenta a variação do coeficiente de absorção de células de Si e de GaAs com a energia do fóton incidente Coeficiente de absorção (cm-1) ,50 1,50 2,50 3,50 Energia hv (ev) Si GaAs Figura 10: Coeficiente de absorção de uma célula de GaAs e de Si energia do fóton. em função da Sabe-se, porém, que a absorção da radiação em um semicondutor está associada com diversos outros fatores como a absorção e emissão de fônos (partículas de som) e

19 22 uma série de tipos de recombinação que não convém comentar neste relatório. Através do coeficiente de absorção é possível determinar a absortância da célula que, tendo uma resposta isotrópica em que a radiação seja absorvida de forma aleatória internamente é dada por: 1 ( λ ) = α ( λ) α ( λ) + (7) 4n W A 2 Em que; α(λ) é o coeficiente de absorção intrínseco do material n é o índice de refração; W é a espessura da célula. Isto mostra que a profundidade efetiva da radiação fracamente absorvida pode ser aumentada de um fator 4n² vezes (50 vezes no caso do silício) (GREEN, 1982). Em concentradores fotovoltaicos a radiação capturada pela célula, normalmente, não é isotrópica. Geralmente, esta depende dos ângulos definidos pela geometria de concentração. A primeira célula com concentração produzida e distribuída em larga escala tinha uma lente de Fresnel como concentrador Interação da luz com a cobertura A princípio a cobertura deve ser uma superfície que seja capaz de permitir a passagem da radiação solar e, de preferência, filtrar os raios infravermelhos que podem aquecer a célula FV e, com isso diminuir sua eficiência. Vidro e outros tipos de materiais semitransparentes têm sido utilizados como cobertura para sistemas de coleção de irradiação solar. Para estimar o efeito de cada material na eficiência do sistema, propriedades óticas térmicas (incluindo condutividade e radiatividade) devem ser conhecidas. Um raio de luz, ao incidir na cobertura, a exemplo do semicondutor, terá uma fração da potência incidente refletida, enquanto o resto é transmitido para o seu interior.

20 23 O coeficiente de reflexão da radiação em uma superfície especular é obtido pela equação de Fresnel. 1 sen ρ θ ) = 2 sen 2 ( θ χ) cos 1 + ( θ + χ) cos ( ( θ + χ) ( θ χ) Onde θ é o ângulo de incidência e χ o ângulo de refração, como mostra a Figura 11. (8) Figura 11: Interação da radiação com a superfície da cobertura. O ângulo de refração χ depende de θ e do meio (no caso do material que é feita a cobertura). Esta dependência é representada pela conhecida Lei de Snell. senθ n = (9) senχ Dentro do meio a radiação transmitida é exponencialmente atenuada e modelada pela Lei de Beer. τ = exp( α L / cos χ) (10) c Onde α c é o coeficiente de absorção do meio (sendo este homogêneo). Caso o meio não seja homogêneo é considerado também um coeficiente de espalhamento.

21 24 Figura 12: Múltiplas reflexões da radiação na cobertura. Deste modo, pode-se seguir o feixe de radiação dentro do meio e observar as sucessivas reflexões em cada interface (Figura 12). Essas reflexões podem ser calculadas pelas equações (3) e (5) e ao final de todo percurso do feixe tem-se a reflectância (R) e a transmitância (Tr) do meio dadas por: 2 2 (1 ρ) τ R = ρ 1 + = ρ(1 τt ) 2 2 (11) 1 ρ τ 2 τ (1 ρ) Tr = (12) ρ τ Assim, a reflectância e a transmitância, dependem, de fato, de propriedades intrínsecas do material que é feito da cobertura. Com posse da absortância, que é a fração de energia absorvida, pode-se expressar o balanço energético como: 1 = A + R + Tr (13) Vale salientar que todas as equações mostradas acima são baseadas na análise de um feixe de luz monocromático e associadas a um comprimento de onda particular. Para se obter o valor desses parâmetros em faixas de comprimento de onda específicas, tais como, a do visível, infravermelho e outras, deve-se integrar, dentro desta faixa, o produto entre o parâmetro desejado e a radiação solar incidente na superfície terrestre G(λ). Por exemplo, para conhecer a transmitância de um material na faixa do visível tem-se: 780 Tr vis = Tr( λ) G( λ) dλ (14) 400

22 25 Da mesma maneira pode ser calculada a absortância e a reflectância para faixas de comprimento de ondas específicas Concentração da radiação solar Duas definições de concentração solar são usuais. A primeira, que é conhecida por concentração geométrica é dada pela razão entre a área da abertura e a área da superfície. Já a segunda definição é denominada de concentração de fluxo e é obtida pela razão entre a irradiância na abertura e no absorvedor. Aab C geom = (15) A sup fluxo ab C = (16) O conceito de concentração de fluxo pode ser utilizado em projetos fotovoltaicos enquanto a definição geométrica é mais apropriada para coletores solares térmicos. De acordo com a segunda lei da termodinâmica a concentração máxima possível é dada para um concentrador bidimensional por: C ideal 2D sup Enquanto para um concentrador tridimensional: 1, = (17) senθ a C ideal,3d 1 = (18) 2 sen θ Onde θ a é denominado de angulo de aceitação e é definido como o limite superior dos ângulos de incidência dos raios que, havendo incidido na abertura, haverão de atingir o absorvedor (Figura 13) (FRAIDENRAICH et al., 1995). a

23 26 Figura 13: Cavidade concentradora e ângulo de aceitação. Uma vez que o raio angular do sol é igual a 4,7 miliradianos o limite de concentração é de 213 para um concentrador bidimensional (foco linear) e de para um concentrador tridimensional (foco pontual) (RABL, 1985). Uma alternativa para aumentar a concentração de sistemas óticos em duas dimensões (2D) é fechar um concentrador parabólico com uma cobertura transparente e inserir em seu interior um meio com índice de refração diferente do ar. Nesses casos também pode-se utilizar células bifaciais. Observa-se então, que a concentração geométrica possui um valor máximo teórico definido por: 2n C g max = (19) senθ Onde n é o índice de refração do meio inserido no concentrador e o fator 2 é decorrente das duas faces da célula. Para células convencionais cuja faixa de melhor eficiência encontra-se entre 50 e 100 sóis costuma-se usar concentradores parabólicos que permitem tais razões de concentração. Os concentradores parabólicos são, relativamente, simples de construir, entretanto, o principal problema de usá-los em sistemas fotovoltaicos é a não uniformidade de iluminação das células, o que aumenta consideravelmente as perdas na geração devido à alta resistência em serie verificada nas células operando nestas condições. Este fator se agrava quando se está trabalhando com células bifaciais, pois as a

24 27 faces são conectadas em série e, uma não-uniformidade na radiação coletada aumentaria ainda mais as perdas ôhmicas. Para solucionar este problema utiliza-se dos chamados concentradores parabólicos compostos (CPC) em conjunto com um concentrador secundário que permitem uma distribuição mais uniforme dos raios solares na célula (SALA, 2008). Gordon (1995), propôs um protótipo de concentrador parabólico com um concentrador tipo-v secundário a fim de uniformizar a radiação coletada pela célula (absorvedor). Porém, para isso o absorvedor deve ser deslocado da linha focal em direção ao primário, afim de que o secundário renda uma alta concentração. Com isso e usando materiais óticos off-the-shelf (não disponíveis comercialmente) alcançou uma concentração de com uma razoável uniformidade de radiação coletada (Figura 14). Figura 14: Mapeamento do fluxo no absorvedor (GORDON, 1995).

25 28 Vale salientar que o concentrador para este projeto possui um ângulo de aceitação θ a = 0,75, que resulta numa concentração máxima de 76,4x. No caso do concentrador parabólico, cuja concentração é dada em função do ângulo de borda φ, a concentração não passa da metade do valor da concentração máxima, porém com o uso do concentrador secundário tipo-v têm-se uma concentração igual a 0,86 C gmax. A idéia é adaptar o concentrador secundário para o fluxo da radiação refletida pelo primário. Neste ensejo a posição do absorvedor não é determinada pelas propriedades da parábola, mas pelo comportamento dos raios refletidos pelo concentrador primário. Um outro ponto importante é o sombreamento que o secundário gera no primário. Foi encontrado um ângulo de abertura igual a 45º para a melhor relação entre o benefício

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