1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA FONTES DE ENERGIA NÃO CONVENCIONAIS: ENERGIA SOLAR SÉRGIO VIDAL GARCIA OLIVEIRA DANIEL GUSTAVO CASTELLAIN JEFFERSON CARLOS FISCHER JOINVILLE 2015
2 ILUSTRAÇÕES Figura 1 Insolação diária, média anual (horas)... 6 Figura 2 Variação da radiação solar no Brasil... 7 Figura 3 Potência instalada de células fotovoltaicas no mundo (MW)... 8 Figura 4 Célula de silício monocristalino... 10 Figura 5 Célula de silício policristalino... 11 Figura 6 Silício amorfo... 13
3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 4 1.1 MOTIVAÇÕES... 4 1.2 HISTÓRICO... 4 1.3 FUNDAMENTOS... 5 1.4 RADIAÇÃO SOLAR... 5 1.5 EVOLUÇÃO DO USO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA... 7 1.6 GERANDO CALOR E ELETRICIDADE... 8 1.6.1 Calor... 8 1.6.2 Gerando eletricidade... 8 2 REFERÊNCIAS... 14
1 INTRODUÇÃO 4 Neste capítulo serão apresentadas algumas informações com relação a energia solar. 1.1 MOTIVAÇÕES O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas da energia do Sol. 1.2 HISTÓRICO A conversão de energia solar em energia elétrica foi verificada pela primeira vez por Edmond Becquerel, em 1839 onde constatou uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor quando exposto a luz [1]. Em 1876 foi montado o primeiro aparato fotovoltaico resultado de estudos das estruturas no estado sólido, e apenas em 1956 iniciou-se a produção industrial seguindo o desenvolvimento da microeletrônica [1]. Neste ano a utilização de fotocélulas foi de papel decisivo para os programas espaciais. Com este impulso, houve um avanço significativo na tecnologia fotovoltaica onde aprimorou-se o processo de fabricação, a eficiência das células e seu peso [1]. Com a crise mundial de energia de 1973/74, a preocupação em estudar novas formas de produção de energia fez com a utilização de células fotovoltaicas não se restringisse
5 somente para programas espaciais, mas que fosse intensamente estudados e utilizados no meio terrestre para suprir o fornecimento de energia [1]. 1.3 FUNDAMENTOS A energia solar chega a Terra nas formas térmica e luminosa. Segundo o estudo sobre Outras Fontes constante do Plano Nacional de Energia 2030, produzido pela EPE, sua irradiação por ano na superfície da Terra é suficiente para atender milhares de vezes o consumo anual de energia do mundo. Essa radiação, porém, não atinge de maneira uniforme toda a crosta terrestre. Depende da latitude, da estação do ano e de condições atmosféricas como nebulosidade e umidade relativa do ar [3]. Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar manifesta-se sob a forma de luz visível de raios infravermelhos e de raios ultravioleta. É possível captar essa luz e transformá-la em alguma forma de energia utilizada pelo homem: térmica ou elétrica. São os equipamentos utilizados nessa captação que determinam qual será o tipo de energia a ser obtida [3]. 1.4 RADIAÇÃO SOLAR O Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre, 1,5 x1018 kwh de energia. Trata-se de um valor considerável, correspondendo a 10000 vezes o consumo mundial de energia neste período. Este fato vem indicar que, além de ser responsável pela manutenção da vida na Terra, a radiação solar constitui-se n uma inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia (térmica, elétrica, etc.) [1].
A Figura 1 contempla a insolação diária, média anual, em horas, no cenário nacional. Figura 1 Insolação diária, média anual (horas) 6 Fonte: Figura obtida de [2]. Assim como ocorre com os ventos, o Brasil é privilegiado em termos de radiação solar. O Plano Nacional de Energia 2030 reproduz dados do Atlas Solarimétrico do Brasil e registra que essa radiação varia de 8 a 22 MJ (megajoules) por metro quadrado (m²) durante o dia, sendo que as menores variações ocorrem nos meses de maio a julho, variando de 8 a 18 MJ/m². Além disso, complementa o estudo, o Nordeste possui radiação comparável às melhores regiões do mundo nesta variável, como a cidade de Dongola, no deserto do Sudão, e a região de Dagget, no deserto do Mojave, Califórnia. O que, porém, não ocorre com outras localidades mais distantes da linha do Equador, como as regiões Sul e Sudeste,
7 onde está concentrada a maior parte da atividade econômica. A Figura 2 a seguir ilustra esta variação. Figura 2 Variação da radiação solar no Brasil Fonte: Figura obtida de [3]. 1.5 EVOLUÇÃO DO USO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA A Figura 3 apresenta a evolução da potência solar instalada no mundo de 1992 a 2007 para produção de eletricidade. Na mesma figura, a Tabela 5.5 contempla a participação relativa dos países. Assim como ocorreu no segmento da energia eólica, também na energia solar a Alemanha é a maior produtora, com 49% da potência total instalada.
8 Figura 3 Potência instalada de células fotovoltaicas no mundo (MW) Fonte: Figura obtida de [3]. 1.6 GERANDO CALOR E ELETRICIDADE Se for utilizada uma superfície escura para a captação, a energia solar será transformada em calor. Se utilizadas células fotovoltaicas (painéis fotovoltaicos), o resultado será a eletricidade. 1.6.1 Calor Os equipamentos necessários à produção do calor são chamados de coletores e concentradores pois, além de coletar, às vezes é necessário concentrar a radiação em um só ponto. Este é o princípio de muitos aquecedores solares de água [3]. 1.6.2 Gerando eletricidade Para a produção de energia elétrica existem dois sistemas: o heliotérmico e o fotovoltaico.
9 1.6.2.1 Heliotérmico A irradiação solar é convertida em calor que é utilizado em usinas termelétricas para a produção de eletricidade. O processo completo compreende quatro fases: coleta da irradiação, conversão em calor, transporte e armazenamento e, finalmente, conversão em eletricidade. Para o aproveitamento da energia heliotérmica é necessário um local com alta incidência de irradiação solar direta, o que implica em pouca intensidade de nuvens e baixos índices pluviométricos, como ocorre no semi-árido brasileiro [3]. 1.6.2.2 Fotovoltaico A transformação da radiação solar em eletricidade é direta. Para tanto, é necessário adaptar um material semicondutor (geralmente o silício) para que este, na medida em que é estimulado pela radiação, permita o fluxo eletrônico (partículas positivas e negativas). Todas as células fotovoltaicas têm, pelo menos, duas camadas de semicondutores: uma positivamente carregada e outra negativamente carregada, formando uma junção eletrônica [3]. Quando a luz do sol atinge o semicondutor na região dessa junção, o campo elétrico existente permite o estabelecimento do fluxo eletrônico, antes bloqueado, e dá início ao fluxo de energia na forma de corrente contínua [3]. 1.6.2.3 Tipos de células As células fotovoltaicas são fabricadas, na sua grande maioria, usando o silício (Si) e podendo ser constituída de cristais monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo.
1.6.2.3.1 Monocristalinos 10 A célula de silício monocristalino é historicamente a mais usada e comercializada como conversora direta de energia solar em eletricidade e a tecnologia para sua fabricação, é um processo básico muito bem constituído. Este silício para funcionar como células fotovoltaicas necessita de outros dispositivos semicondutores e de um grau de pureza maior, devendo chegar à faixa de 99,9999%. Dentre as células fotovoltaicas que utilizam o silício como material base, as monocristalinas são, em geral, as que apresentam as maiores eficiências. As fotocélulas comerciais obtidas com o processo descrito atingem uma eficiência de até 15% podendo chegar em 18% em células feitas em laboratórios [2]. Figura 4 Célula de silício monocristalino Fonte: Figura obtida de [2]. 1.6.2.3.2 Policristalinos
11 As células de silício policristalino são mais baratas que as de silício monocristalino por exigirem um processo de preparação das células menos rigoroso. A eficiência, no entanto, cai um pouco em comparação as células de silício monocristalino. Podem ser preparadas pelo corte de um lingote, de fitas ou depositando um filme num substrato, tanto por transporte de vapor como por imersão. Nestes dois últimos casos só o silício policristalino pode ser obtido. 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 [2]. Figura 5 Célula de silício policristalino Fonte: Figura obtida de [2]. 1.6.2.3.3 Silício 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. Por outro lado, o silício amorfo apresenta vantagens que compensam as deficiências acima citados, são elas: processo de fabricação relativamente simples e barato; possibilidade de fabricação de células com grandes áreas; baixo consumo de energia na produção. 12
13 Figura 6 Silício amorfo Fonte: Figura obtida de [2].
2 REFERÊNCIAS 14 [1].CRESESB. Energia solar princípios e aplicações. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/download/tutorial/tutorial_solar_2006.pdf>. Acesso em: 11/04/ 2012. [2].CRESESB. Energia solar princípios e aplicações. Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/atlas_solarim etrico_do_brasil_2000.pdf>. Acesso em: 11/04/ 2012. [3].ANEEL (Brasil). Atlas de energia elétrica do Brasil / Agência Nacional de Energia Elétrica. 3ed. Cap. 5 p. 78 Brasília : Aneel, 2008. 236 p. : il.