ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Transcrição

1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA André Luiz Mendes Danilo de Lima Carvalho Fábio da Silva Duque Hector Ap. Bemi João Fernando de Almeida Mayron Rafael Lage Meloni Paulo Bataier Neto Pedro Henrique Ramos de Assis Rogério Maciel Paviani Wagner B. Z. de Carvalho

2 DEFINIÇÕES Energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia renovável obtida através da conversão direta da luz do sol em eletricidade, podendo ser produzida mesmo em dias nublados ou chuvosos. O processo de conversão da energia solar, utiliza células fotovoltaicas, normalmente feitas de silício ou outro material condutor. 2

3 HISTÓRIA O termo fotovoltaico começou-se a usar no Reino Unido no ano Vem do grego phos, que significa luz, e de voltaico, que vem do âmbito da eletricidade, em honra ao físico italiano Alessandro Volta. O efeito fotovoltaico foi reconhecido pela primeira vez uns dez anos antes, em 1839, pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel, mas a primeira célula solar não se fabricou até Seu criador foi Charles Fritts, quem recobriu uma amostra de selênio semicondutor com pó de ouro para formar a união. Este dispositivo primitivo apresentava uma eficiência menor do 1%, mas demonstrou de forma prática que, efetivamente, produzir eletricidade com luz era possível. Os estudos realizados no século XIX por Michael Farady, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla e Heinrich Hertz sobre indução eletromagnética, forças elétricas e ondas eletromagnéticas, e sobretudo os de Albert Einstein em 1905, proporcionaram a base teórica ao efeito fotoelétrico, que é fundamento da conversão de energia solar para eletricidade. 3

4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO Os raios luminosos provenientes do sol chegam na terra sob a forma de partículas elementares denominadas fótons, as quais possuem uma certa quantidade de energia. Uma instalação fotovoltaica consegue coletar a energia possuída pelos fótons e transformá-la, usufruindo dos fenômenos físicos, que se realiza quando um elétron presente na banda de valência de um material semicondutor, passa na banda de condução graças à energia que é liberada após a absorção do fóton proveniente do sol. É usado um material semicondutor (Silício) capaz de gerar um campo elétrico interno à célula, estabelecendo um excesso de átomos carregados negativamente (ânions) em um lado do semicondutor e um excesso de átomos carregados positivamente (cátions) no outro. 4

5 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO Quando os fótons atingem as células fotovoltaicas, eles fazem com que alguns dos elétrons que circundam os átomos se desprendam 5

6 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO Estes elétrons livres vão migrar, através da corrente eléctrica, para a parte da célula de silício que está com ausência de elétrons 6

7 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO Durante o dia todo, os elétrons irão fluir em uma direção constantemente, deixando átomos e preenchendo lacunas em átomos diferentes. Este fluxo de elétrons cria uma corrente elétrica, ou o que nós chamamos de casualmente de Energia Solar Fotovoltaica. 7

8 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO 8

9 CELULAS SOLARES O material mais utilizado para a fabricação das células solares de silício cristalino é (C-Si), também conhecido como " silício de grau solar". As células de silício cristalino são fatias de lingotes de silício cristalino que são depois tratadas quimicamente para que possam produzir energia elétrica com a luz do sol através do efeito fotovoltaico. Quase 80% dos painéis fotovoltaicos no mundo, são baseados em alguma variação de silício. 9

10 CELULAS SOLARES Existem três tipos principais de células solares: - Célula de Silício Monocristalino (mono-si) 10

11 CELULAS SOLARES - Célula de Silício Policristalino (multi-si) 11

12 CELULAS SOLARES - Célula de Película Fina (TFPV) 12

13 CELULAS SOLARES - Célula de Silício Monocristalino (mono-si) Este tipo de células fotovoltaica representam a primeira geração. O seu rendimento eléctrico é relativamente elevado (aproximadamente 16%, podendo subir até cerca de 23% em laboratório), mas as técnicas utilizadas na sua produção são complexas e caras. Os cantos das células são recortados, como um octógono, porque as lâminas de silício (Wafers) são cortadas a partir de lingotes cilíndricos, que são tipicamente cultivadas pelo processo Czochralski 13

14 CELULAS SOLARES - Processo Czochralski O Processo Czochralski é um método de cultura de cristais usado para a produção industrial de monocristais de uma diversidade de materiais cristalinos para os quais se pretende elevada pureza e cristais isentos de defeitos. A metodologia é utilizada na produção de materiais semicondutores, como o silício, o germânio e o arseneto de gálio, de metais para os quais se pretende um elevado grau de pureza química, como o paládio, a platina, a prata e o ouro, e de diversos sais e gemas sintéticas. A designação do processo honra o cientista polaco Jan Czochralski, que descobriu o método em 1916, quando estudava a velocidade de cristalização de alguns metais. Melting of polysilicon, doping - Fusão de polissilício, dopagem Introduction of the seed crystal - Introdução do cristal de semente Beginning of the crystal growth - Início do crescimento do cristal Crystal pulling - Puxando de cristal Formed crystal with a residue of melted silicon - Cristal formado com um resíduo de silício fundido 14

15 CELULAS SOLARES - Vantagens da Célula Monocristalino Eficiência mais alta dentre as tecnologias comercialmente viáveis atualmente (14% - 21%); Ocupam menor espaço; Vida útil maior que 30 anos; Funcionam melhor em condições de pouca luz. - Desvantagens da Célula Monocristalino Custo maior; No processo de fabricação quatro lados são cortados dos lingotes para fazer as lâminas de silício e por isso uma quantidade significativa do silício não é aproveitada naquela célula e precisa ser reciclado. 15

16 CELULAS SOLARES - Célula de Silício Policristalino (multi-si) As células poli-cristalinas têm um custo de produção inferior por necessitarem de menos energia no seu fabrico, mas apresentam um rendimento eléctrico inferior (entre 11% e 13%, obtendo-se até 18% em laboratório). Esta redução de rendimento é causada pela imperfeição do cristal, devido ao sistema de fabrico. As células também são feitas de silício purificado, porém o processo de fundição é diferente. O silício purificado é fundido em grandes blocos 16

17 CELULAS SOLARES - Vantagens da Célula Policristalino Custo menor em comparação a célula monocristalino A quantidade de silício residual gerado durante o processo de corte das células fotovoltaicas é menor em comparação com monocristalino; Vida útil maior que 30 anos; - Desvantagens da Célula Policristalino A eficiência é de 13 e 16,5%; Menos Watt por hora por m² 17

18 CELULAS SOLARES - Célula de Película Fina (TFPV) Depositar uma ou várias camadas finas de material fotovoltaico sobre um substrato é a essência básica de como os painéis fotovoltaicos de filme fino são fabricados. Os diferentes tipos painéis solares de filme fino podem ser categorizados por material fotovoltaico que é depositado sobre o substrato: Silício amorfo (a-si) Telureto de cádmio (CdTe) Cobre, índio e gálio seleneto (CIS / CIGS) Células solares fotovoltaicas orgânicas (OPV) Dependendo da tecnologia de célula fotovoltaica de filme fino utilizada, os painéis de filme fino possuem eficiências médias entre 7-13%. 18

19 CELULAS SOLARES - Célula de Película Fina (TFPV) Algumas tecnologias de painel de filme fino já estão chegando nos 16% sendo similares a eficiência dos painéis Policristalinos. Atualmente (2015) os painéis fotovoltaicos que utilizam a tecnologia de filme fino representam aproximadamente 20% do mercado mundial de painéis solares fotovoltaicos. Sendo a maioria de silício cristalino. 19

20 CELULAS SOLARES - Vantagens da Célula de Película Fina (TFPV) A produção é mais simples; Custo menor; Sua aparência homogênea é esteticamente bonita; Pode ser feito flexível, o que abre um leque de aplicações muito grande; Altas temperaturas e sombreamento de árvores e outras obstruções tem menos impacto sobre o desempenho do painel solar de filme fino. - Desvantagens da Célula de Película Fina (TFPV) Exigem uma grande quantidade de espaço; Menos eficiência por m²; A degradação é mais rápida do que as células monocristalino e policristalino 20

21 CELULAS SOLARES - Painel Solar Híbrido Existe uma nova tecnologia no mercado conhecida por Heterojunção. Comercialmente falando, a eficiência dos painéis que utilizam esta tecnologia é de 20%. O processo de fabricação, com algumas diferenças, é similar ao dos painéis fotovoltaicos monocristalinos, porém, possuem uma passivação com camada de Silício Amorfo (a-si), dentre ouras diferenças. Colocando de uma forma simples, este painel produz mais energia por metro quadrado e também funciona muito bem com temperaturas mais altas, desta forma, esta tecnologia é ideal para o Brasil mas infelizmente ainda não está disponível no mercado. 21

22 CELULAS SOLARES - Painel Solar Híbrido 22

23 VÍDEO 23

24 PAINEL SOLAR FOTOVOLTAICO 24

25 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA - Vantagens da Energia Solar Fotovoltaica Energia limpa; Pode ser instalada em qualquer lugar; Sistema silencioso; Fonte inesgotável; Sistema confiável; Baixa manutenção; Fácil instalação; Modular, pode ser ampliado conforme necessidade. 25

26 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA - Desvantagens da Energia Solar Fotovoltaica Variação na quantidade produzida devido a variação climática; A noite não existe produção; Necessita de meios de armazenamentos onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia; Alguns países da Europa tem uma queda brusca na produção durante o inverno; 26

27 TIPOS DE SISTEMAS - OFF GRID Também conhecido como sistema isolado, funcionamento independente da rede elétrica, geralmente utiliza bateria para armazenamento da energia gerada. 27

28 TIPOS DE SISTEMAS - ON GRID Também conhecido como grid-tie ou conectado à rede, precisa da existência da rede elétrica local para funcionamento, tendo a produção de energia entregue diretamente a ela. 28

29 POTENCIAL DA ENERGIA FOTOVOLTAICA NO BRASIL O Brasil possui um potência gigantesco para se aproveitar. O Mapa abaixo faz uma comparação dos valores de irradiação solar do Brasil e da Europa. Fica muito fácil de se enxergar que o nosso potencial é muito maior, no entanto, a Europa possui instalados 88GW de energia fotovoltaica enquanto o Brasil ainda esta em menos de 1GW 29

30 POTENCIAL DA ENERGIA FOTOVOLTAICA NO BRASIL 30

31 PREÇO DA ENERGIA FOTOVOLTAICA Impulsionado pelos avanços da tecnologia e o aumento da escala de produção, os custo da energia fotovoltaica tem diminuído de forma constante ano após ano. Em 2015 as células fotovoltaicas atingiram os seus menores preços históricos mais uma vez chegando ao patamar de U$ 0,30/Watt. 31

32 COMPARATIVO DE CAPACIDADE INSTALADA Inicialmente as células eram produzidas quase que só na Europa, nos Estados Unidos e no Japão, mas a partir de 2000 a China começou a fabricar as células em grande escala alcançando 6% do total produzido no mundo em 2005, 63% em 2009, 71% em 2010 e 80% em 2011 passando a ser preponderante no mercado europeu e mundial. Nos dias de hoje os cinco primeiros países em potência instalada Alemanha, China, Japão, Itália e EUA respondem por 70% do total mundial nessa fonte. 32

33 COMPARATIVO DE CAPACIDADE INSTALADA No início de 2015 o Brasil ainda apresentava um nível de fabricação e instalação de geradores fotovoltaicos muito baixo, não condizente com o tamanho e população do país e com suas potencialidades e necessidades. Eram mais utilizados em eletrificações para a utilização em pequenas aplicações como bombas d agua e baterias. 33

34 COMPARATIVO DE CAPACIDADE INSTALADA De acordo com a ANEEL, no final de 2013, o Brasil já tinha uma capacidade fotovoltaica conectada à rede acumulada de cerca de 6 MW. Em abril de 2014 a capacidade atinge 89 sistemas fotovoltaicos instalados totalizando 13,2 MW sendo 9,28 MW já em operação. Em fevereiro de 2015 estavam em operação 317 sistemas fotovoltaicos com uma potência de 15,2 MW. Já em junho de 2015 já tinham sido instalados 670 projetos dentro do programa de compensação de energia sendo 631 fotovoltaicos demonstrando o acelerado crescimento do mercado. A energia fotovoltaica instalada em 2015 no Brasil representava apenas 0,01% da capacidade de geração global do país. 34

35 MICRO E MINIGERAÇÃO DISTRIBUÍDA O sistema de geração de energia solar fotovoltaica não era muito atraente para os consumidores, devido ao alto custo dos materiais e o alto custo do sistema de armazenamentos (baterias), sem contar que as baterias tinham um tempo curto de vida. Após a resolução normativa nº 482/2012 da Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica), que se refere ao Sistema de Compensação de Energia Elétrica, ficou mais atrativo implantar o sistema de geração de energia solar. Esse sistema permite que a energia excedente gerada pela unidade consumidora com micro ou minigeração seja injetada na rede da distribuidora, a qual funcionará como uma bateria, armazenando esse excedente. 35

36 MICRO E MINIGERAÇÃO DISTRIBUÍDA - MICROGERAÇÃO Central geradora com potência instalada até 75 kw. - MINIGERAÇÃO Central geradora com potência instalada acima de 75 kw e menor ou igual a 5 MW (sendo 3 MW para fonte hídrica). 36

37 MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA AUTO CONSUMO 37

38 MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA CRÉDITO DE ENERGIA 38

39 MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA ENERGIA FORNECIDA PELA CONCESSIONÁRIA 39

40 MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA - Painel Solar COMPONENTES Reage com a luz do sol e produz energia. - Inversor Um inversor solar converte a energia solar dos seus painéis fotovoltaicos (Corrente Continua - CC) em energia elétrica que pode ser usada em sua Casa ou Empresa para a TV, Computador, Máquinas, Equipamentos, e qualquer equipamento elétrico (Corrente Alternada - AC). 40

41 MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA - Medidor de Energia Bidirecional É o equipamento que contabiliza a quantidade de energia enviada (crédito em Kwh) e consumida da rede elétrica. 41

42 MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA EXEMPLOS DE MICROGERAÇÃO 42

43 MINIGERAÇÃO DISTRIBUÍDA EXEMPLOS DE MINIGERAÇÃO 43

44 USINA SOLAR A usina solar, também conhecida como parque solar, é um sistema fotovoltaico de grande porte (sistema FV) projetado para a produção e venda de energia elétrica. As usinas de energia solar se diferenciam dos sistemas fotovoltaicos instalados em casas e indústrias pois elas fornecem energia em alta tensão para fins de distribuição e não para o autoconsumo FIXO TRACKERS Seguidores do Sol 44

45 USINA SOLAR Os painéis solares produzem energia elétrica em corrente contínua em até 380 V, precisam de um inversor para converter em energia alternada. Para transmissão de energia na linha de alta tensão é utilizado transformador para elevar a tensão. 45

46 USINA SOLAR Embora o seu investimento inicial seja alto a manutenção é baixíssima, a vida útil é muito longa (mais de 30 anos) e o sol não custa nada. Se o governo estivesse investindo nesta fonte de energia desde 2001 quando houve a primeira grave crise de energia ( o apagão ) hoje as nossas contas de luz não estariam subindo tanto devido a falta de chuva e o uso desenfreado das poluentes e caras usinas termoelétricas. 46

47 MAIOR USINA SOLAR DO MUNDO A maior usina solar do mundo ficou pronta em Junho de 2015 e encontra-se nos Estados Unidos. É um projeto de kWp (579MWp) instalado perto de Rosamond na Califórnia. Ela na verdade consiste em 2 usinas juntas e utilizam painéis fotovoltaicos, ocupando uma área no deserto de aproximadamente 13km². 47

48 PRIMEIRA USINA SOLAR DO BRASIL A usina solar de Tauá, construída em 2011, está localizada no município de Tauá, no sertão do Ceará, e tem capacidade inicial de geração de 1000kWp (1MWp). Ela produz energia suficiente para 650 casas populares e foi a primeira usina solar no Brasil a gerar eletricidade em escala comercial. 48

49 MAIOR USINA SOLAR DO BRASIL A usina solar da Tractebel é atualmente a maior usina solar do Brasil em operação comercial. A usina que ficam em Tubarão Santa Catarina, possui painéis fotovoltaicos com uma potência total de 3.000kWp (3MWp) e foi construída para fins de pesquisa e desenvolvimento pela Tractebel. 49

50 USINA SOLAR NO BRASIL A usina solar da Eletrosul foi construída sobre o prédio administrativo da empresa e sobre as vagas de estacionamento, proporcionando sombra para os carros. Possui uma potência instalada de 1MW (igual ao da usina solar de TAUA) porém destaca-se pelo fato de ser a primeira deste tamanho no Brasil a ser construída integrada a um edifício. 50

51 USINA SOLAR NO BRASIL É atualmente a maior usina solar construída em um estádio de futebol no Brasil. São mais de painéis solares totalizando uma potência de 1420kWp (1.42WMp). 51

52 VÍDEO 52

53 POSIÇÃO IDEAL DOS PAINÉIS - Posição Ideal ao Norte - O ângulo de inclinação tem que ser igual a Latitude - A Latitude de São Paulo é aproximadamente 23º 53

54 SIMULADOR 54

55 PERGUNTAS?? 55

56 BIBLIOGRÁFIA

57