FABRICAÇÃO DE PAINÉIS SOLARES, UMA REVISÃO

FABRICAÇÃO DE PAINÉIS SOLARES, UMA REVISÃO Oliveira, A. D. 2 Souza, J. 1 1 Docente na FETLSVC (Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha)- alvaronh@hotmail.com 2 Doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Minas, Metalúrgica e Materiais (PPGEM), Depto. de Metalurgia, UFRGS. Av: Bento Gonçalves,9500. CEP: 91501-970, Porto Alegre, RS, Brasil. +55 51 81023652 Pesquisador INSTITUTO SENAI DE INOVAÇÃO SOLUÇÕES INTEGRADAS EM METALMECÂNICA souza.jose@senairs.org.br Resumo Este trabalho tem como objetivo analisar a fabricação de painéis solares buscando avaliar aspectos de fabricação e seu aproveitamento. Através do exame de modelos já existentes, sugere-se a um aumento de incentivos para fabricação de placas de painéis solares, em grande escala, utilizando recursos nativos de regiões que ofereçam um potencial considerável para esse tipo de energia. Verificou-se que, conforme a necessidade regional torna-se imprescindível o desenvolvimento deste tipo de tecnologia, sobretudo para torná-la mais acessível e vislumbrar todos os aspectos vantajosos propiciados por ela. Palavras-chave: Painéis solares; Silício; Conversão fotovoltaica. SOLAR PANELS MANUFACTURING, A REVIEW Abstract This text aims to analyze the manufacture of solar panels aimed at assessing aspects of manufacturing and utilization. Through the examination of existing models, it is suggested to increase the incentive for the manufacture of solar panels plates on a large scale, using regions of native resources that offer considerable potential for this kind of energy. It was found that, according to the regional need becomes essential to develop this type of technology, especially to make it more accessible and envision all the advantageous aspects propitiated by it. Key words: Solar panels, Silicon, Photovoltaic conversion. 1 INTRODUÇÃO A energia solar é a fonte de energia mais abundante que há em nosso planeta. Buscando aproveitar esse tipo de energia ao longo dos anos, foram implementados sistemas para sua conversão em outros tipos de energia, principalmente em energia térmica e elétrica. Em nosso país, de acordo com o Atlas Brasileiro de Energia Solar [1] há um potencial muito grande para exploração desse tipo de energia devido à área ensolarada bem como à média de radiação solar. Para suprir a crescente demanda do consumo de energia elétrica em nosso país, uma alternativa viável e que causaria pouco impacto ambiental, seria a exploração dessa energia solar para a sua conversão em energia elétrica. Vários países têm utilizado a energia solar com a finalidade de reduzir a dependência de combustíveis fósseis e as emissões de gases de efeito estufa. Os 1

edifícios comerciais, públicos e residenciais são responsáveis por 47,6% do consumo de energia elétrica no Brasil. [2] Existem dois métodos mais utilizados para a conversão de energia solar em energia elétrica. Em um deles, o chamado CSP, onde espelhos são direcionados para um único ponto para aquecer um tanque de água e consequentemente movimentar uma turbina. O outro, a conversão fotovoltaica, como o nome indica, converte diretamente luz em energia elétrica. Esse segundo tipo de conversão será abordado nesse texto, principalmente no que se refere aos equipamentos que fazem essa conversão, os chamados painéis fotovoltaicos. A principal forma de conversão de energia solar em energia elétrica se dá através dos painéis solares, que através do efeito fotovoltaico, convertem a radiação solar em eletricidade. Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons que a integram chocamse com os elétrons da estrutura do silício, dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado na união positivo-negativo (P-N), os elétrons são orientados e fluem da camada "P" para a camada "N". Por meio de um condutor externo, conecta-se a camada negativa à positiva. Gera- se assim um fluxo de elétrons (corrente elétrica) na conexão. Enquanto a luz continuar a incidir na célula, o fluxo de elétrons manter-se-á. A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente. Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Ao unir-se a camada negativa de uma célula com a positiva da seguinte, os elétrons fluem através dos condutores de uma célula para a outra. Esse fluxo repete-se até chegar à última célula do módulo. É por isso que se considera inesgotável um dispositivo fotovoltaico. Existem três tipos de células, conforme o método de fabricação: Silício monocristalino: Estas células obtêm-se a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas quadradas finas (0,4 a 0,5 mm de espessura). A sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é superior a 12%. Silício policristalino: Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de porções de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Nesse processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é ligeiramente menor do que nas de silício monocristalino. Silício amorfo: Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade varia entre 5 e 7%. [3] Abaixo na Figura 1 pode ser verificado três diferentes formas de silício. Figura 1. Diferentes formas de silício: a) Amorfo (granular); b) Policristalino; c) Monocristalino. 2

Os processos de obtenção do Silício dependem da sua destinação e pureza desejada. O silício comercial (grau metalúrgico (Si-GM)) é obtido a partir de quartzo, quartizitos ou areias silicosas, usando coque de petróleo, carvão mineral ou vegetal como agentes redutores. A redução é realizada em fornos de arco elétrico com eletrodos de carbono submersos em temperatura superior a 1900ºC, reduzindo o óxido de silício a silício, conforme a equação 1. SiO 2 + C Si + CO 2. (Equação 1) O silício líquido se acumula no fundo do forno de onde é extraído e resfriado. O silício produzido por este processo é denominado grau metalúrgico, apresentando um grau de pureza superior a 99%, dependendo da pureza da matéria prima. Para a construção de dispositivos semicondutores é necessário um silício de maior pureza, silício ultrapuro, que pode ser obtido por métodos físicos e químicos. Os métodos físicos de purificação do silício metalúrgico se baseiam na maior solubilidade das impurezas contidas no silício líquido, de forma que esse se concentre nas últimas zonas solidificadas. O primeiro método, usado de forma limitada para construir radares durante a Segunda Guerra Mundial, consistiu em moer o silício de forma que as impurezas e acumulem nas superfícies dos grânulos, que dissolvidos com ácido resultam em um pó mais puro. [4] Os métodos químicos, usados atualmente, atuam sobre um composto de silício que seja mais fácil de purificar decompondo-se durante a purificação para obter o silício. Os compostos mais usados são o triclorosilano (HSiCl 3 ), o tetracloreto de silício (SiCl 4 ) e o silano (SiH 4 ). Para isso, mói-se o Si-GM, que é levado a reagir com gás clorídrico anidro, em um reator de leito fluidizado, a uma temperatura de aproximadamente 300ºC. Desta operação resultam vários compostos intermediários como, além do triclorosilano e dotetracloreto de silício, o diclorosilano e o silano. Posteriormente, esta mistura de compostos é submetida a uma série de processos de destilação para separação e purificação dotetracloreto de silício, do triclorosilano e diclorosilano e para remover cloretos metálicos (principalmente de Al e B) e carbono. O triclorosilano (insumo básico na produção de silicones) é o composto mais utilizado na produção de silício grau eletrônico (Si-GE). O tetracloreto de silício é utilizado principalmente em epitaxia. O silano é o insumo básico na produção de silício amorfo para células solares. [4] No Processo Siemens a obtenção do Si-GE policristalino realiza-se, geralmente, a deposição química a partir da fase de vapor do triclorosilano com hidrogênio em reatores do tipo U (Figura 2), em que filamentos de silício, montados em um arranjo na forma de ponte, são aquecidos por corrente elétrica a uma temperatura entre 1000 e 1100ºC. Assim, o silício deposita-se nos filamentos aquecidos, obtendo-se o Si-GE policristalino, na forma de barras finas (Figura 2). As reações envolvidas são, basicamente, aquelas mostradas nas equações 2, 3, 4, 5 e 6. Hidrogenação: Si (99%) + 3 SiCl 4 + 2H 2 4SiHCl 3 (Equação 2) 3

Desproporcionalização/Destilação: 2SiHCl 3 + ½ H 2 SiH 2 + CL 2+ SiH Cl 4 (Equação 3) 2SiH2Cl 2 SiH 3 + CL+ SiHCl 3 (Equação 4) 2SiH 3 Cl 3 SiH 4 + SiH 2 Cl 3 +3/2Cl 2 (Equação 5) SiH 4 Si (s) + 2H 2(g) (Equação 6) Figura 2. Reator do tipo U para obtenção de silício policristalino. Este é o comumente chamado "Processo Siemens", que foi desenvolvido na década de 50 pela empresa alemã junto à Universidade de Munique. Cerca de 80% do consumo mundial correspondente ao Si-GE é produzido por meio deste processo O silício obtido por este método e por outros similares, apresenta um teor mínimo de impurezas de 0,001 ppm ou menos, é denominado silício policristalino. [4] Método Dupont O método Dupont consiste em reagir tetracloreto de silício a 950ºC com vapores de zinco de elevada pureza SiCl + 2Zn Si + 2ZnCl. Este método, entretanto, está repleto de dificuldades (o cloreto de zinco, subproduto da reação, solidifica e obstrui as linhas de produção), por isso abandonado em favor do método Siemens. [3-4] 4

Método Czochralski Uma vez obtido o silício ultrapuro é necessário obter-se o monocristal utilizando-se, para esse fim, o método Czochralski (CZ). O método consiste em introduzir uma semente cristalina em silício fundido, baixando então lentamente a temperatura para que se dê a cristalização, por exemplo, pelo método de Fusão Zonal Flutuante (FZ). Essa técnica é empregada quando o material processado exibe problemas de reatividade, entretanto, ressalvando que o uso dessa técnica envolve nível de dificuldade elevado, bem como temperaturas de processamento que são limitadas pela forma de aquecimento. [4] A seguir um fluxograma da obtenção do silício. Figura 3. Fluxograma do processo de obtenção do Si-GE policristalino até lâminas de silício monocristalino. 5

Na sequência são apresentadas as etapas do processo de fabricação do módulo fotovoltaico. Ensaio elétrico e classificação das células; Interconexão elétrica das células; Montagem do conjunto: colocação das células soldadas entre camadas de plástico encapsulante e lâminas de vidro e plástico; Laminação do módulo: o conjunto é processado em uma máquina semiautomática a alto vácuo que, por um processo de aquecimento e pressão mecânica, conforma o laminado; Curagem: o laminado processa-se num forno com temperatura controlada no qual completa-se a polimerização do plástico encapsulante e alcança-se a adesão perfeita dos diferentes componentes. O conjunto, depois da curagem, constitui uma única peça; Emolduração: coloca-se primeiramente um selante elástico em todo o perímetro do laminado e a seguir os perfis de alumínio que formam a moldura. Usam-se máquinas pneumáticas para conseguir a pressão adequada. As molduras de poliuretano são colocadas por meio de máquinas de injeção. [3] 2 A SITUAÇÃO NO BRASIL O Brasil possui um potencial muito grande de possibilidade de exploração de energia solar. O ápice da irradiação global 6,5kWh/m² - ocorre no norte do estado da Bahia, próximo à fronteira com o estado do Piauí. Esta área apresenta um clima semiárido com baixa precipitação ao longo do ano, e apresenta também a menor média anual de cobertura de nuvens do Brasil. Já a menor irradiação solar global 4,25kWh/m² - ocorre no litoral norte do estado de Santa Catarina, devido à ocorrência de precipitação bem distribuída ao longo de todo o ano. [6] Como mencionado anteriormente, para viabilizar essa exploração solar, deve-se produzir e instalar painéis solares. A maioria dos painéis solares tem como matéria-prima o silício, que é obtido através dos cristais de quartzo. O Brasil é o maior produtor mundial de quartzo, sendo ainda o único produtor de blocos de quartzo natural com propriedades piezelétricas. Além de uma grande média de área ensolarada, o Brasil também é bastante privilegiado na sua base por deter as maiores reservas de quartzo, que é a matéria prima para o silício. Porém, o país possui participação reduzida na estrutura de processamento do silício, detendo alguns países desenvolvidos as maiores parcelas dos ganhos da industrialização da matéria-prima brasileira. Portanto, ao longo destes anos, o país, apesar de deter a matéria-prima e se constituir no maior exportador, não detém o controle desta comercialização, que, em última instância, é dirigida pelos grandes importadores internacionais. Isto proporcionou o conhecimento detalhado das reservas brasileiras por parte de alguns consumidores do quartzo nacional, enquanto, internamente, ainda permanece a insuficiência dos mesmos dados. Além das vantagens relativas às reservas de quartzo, cabe também destacar a existência de considerável capacitação científica e tecnológica em algumas universidades e centros de pesquisa do país. Esses centros devem ser incentivados para que haja o efetivo domínio das diversas etapas tecnológicas. 6

3 CONCLUSÃO 2 Seminário de Inovação e Tecnologia do IFSul Devido a todos os fatores mencionados, os sistemas fotovoltaicos têm recebido grande atenção da comunidade técnica internacional. Como consequência, têm sido apontados como uma das grandes oportunidades no setor energético neste milênio. A produção mundial de painéis fotovoltaicos vem crescendo expressivamente. Essa tendência é fruto de um grande esforço tecnológico e político, no sentido de reduzir custos e melhorar a eficiência e a confiabilidade dos painéis 4. Além disso, somos um país extremante promissor no que se refere a este tipo de energia, pois como mencionado anteriormente, temos grandes reservas de matéria-prima (quartzo) além de um potencial de área ensolarada enorme. Cabe a nós utilizar a tecnologia necessária para que possamos tirar proveito de todos esses recursos, no sentido de reduzir o consumo de outras fontes criando alternativas mais sustentáveis, melhorando a qualidade de vida da população brasileira. REFERÊNCIAS 1 PEREIRA, E. B., MARTINS F. R., ABREU S. L., RÜTHER. ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR - SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment) 1ª. Ed São José dos Campos: INPE, 2006. 2 ALTOÉ, L., OLIVEIRA FILHO, D., CARLO, J. C. Análise energética de sistemas solares térmicos para diferentes demandas de água em uma residência unifamiliar. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 12, n. 3, p. 75-87, jul./set. 2012. 3 ALMEIDA, F. S., FERREIRA, T. S. Estudo sobre a produção, utilização e uso dos painéis solares como fonte de energia renovável. v.1, Rio de Janeiro, p. 257-261, 2010. 4 MORI, V., SANTOS, L. C., SOBRAL, L. G. S. Metalurgia do Silício: Processos de Obtenção e Impactos Ambientais. Centro de Tecnologia Mineral-CETEM, Rio de Janeiro, dez. 2007. 5 GUERRA, M. R., DRESCH, H., MARCELINO, R., NETO, J. B. R., GRUBER, V. Estudo do Mapeamento Solar Brasileiro Para a Aplicação de Células Fotovoltaicas em Pisos Cerâmicos, Florianópolis, 2012. 6 ANEEL (Brasília). Atlas de Energia Elétrica do Brasil. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/download.htm>. Acesso em: 29 jun. 2013. 7