Energia Solar | Células Fotovoltaicas

Energia Solar | Células Fotovoltaicas

A energia solar é uma fonte se energia limpa e inesgotável, com um enorme potencial energético. Além disso, a descentralização de sua geração torna seu uso acessível a qualquer comunidade em qualquer local. A energia solar também apresenta facilidade e baixo custo da instalação, transmissão e manutenção, juntamente com a longa duração e estabilidade de um sistema adequadamente projetado, proporcionando grande satisfação e retorno do investimento ao usuário. A conversão de energia solar em energia elétrica foi verificado pela primeira vez por Edmond Becquerel, em 1839, o que podemos notar que o seu estudo já despertava interesse a bastante tempo. Através de diversos estudos, houve um avanço significativo na tecnologia fotovoltaica onde se aprimorou o processo de fabricação, a eficiência das células e seu peso, com um uso mais voltado a área espacial. 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 somente para programas espaciais, mas que também pudesse atender a uma demanda de uso coletivo. Um dos fatores que impossibilitava a utilização da energia solar fotovoltaica em larga escala era o alto custo das células fotovoltaicas. As primeiras células foram produzidas com o custo de US$600/W para o programa espacial. Com a ampliação dos mercados e várias empresas voltadas para a produção de células fotovoltaicas, o preço foi reduzindo, até chegar a uma média de US$ 8,00/W, na atualidade. Atualmente, os sistemas fotovoltaicos vêm sendo utilizados em instalações remotas, atendendo a projetos sociais, agropastoris, irrigação e comunicações. As facilidades de um sistema fotovoltaico tais como modularidade, baixo custo de manutenção e vida útil longa, fazem com que sejam de grande importância para instalações em lugares desprovidos da rede elétrica. Há também a inserção da energia solar, em locais onde há oferta de energia elétrica, contribuindo desta forma para o uso racional de fontes tradicionais de energia, como a energia elétrica proveniente de hidroelétricas. Vale ressaltar também, a redução do risco de defeitos por descargas atmosféricas que é um diferencial dos sistemas fotovoltaicos em relação às linhas elétricas. Um sistema solar é composto de células fotovoltaicas, que alimentam.

Um banco de baterias, através de um controlador de carga e descarga, que por sua vez é responsável pela alimentação dos equipamentos eletro eletrônico numa unidade consumidora. O uso de fios bem dimensionados e controladores de carga e descargas são fatores essenciais para a minimização de perdas elétricas durante todo o processo e aumento da vida útil das baterias.

Nanocristais e energia solar
Cientistas do Laboratório Nacional Los Alamos, nos Estados Unidos, descobriram que um fenômeno chamado "multiplicação das portadoras", no qual nanocristais semicondutores reagem a fótons produzindo múltiplos elétrons, é aplicável a uma gama muito maior de materiais do que se pensava até agora. Ao criar uma "avalanche" de elétrons, os nanocristais permitirão a construir de células solares com uma potência de saída muito maior. Isso abre caminho para novas tecnologias fotovoltaicas - ou energia solar - que converte os fótons da luz do sol em energia elétrica - que são elétrons em movimento. Quanto mais elétrons um fóton consegue excitar, maior será a corrente elétrica gerada pela célula solar. Eles demonstraram que a multiplicação das portadoras não ocorre unicamente nos nanocristais de seleneto de chumbo, mas se dá também com altíssima eficiência em nanocristais de outros compostos, como seleneto de cádmio. Além disso, a pesquisa esclarece o mecanismo da multiplicação das portadoras. O fenômeno nunca foi observado em materiais macroscópicos e se baseia inteiramente nas propriedades únicas da física quântica. “É por isto que é o tamanho da partícula, e não sua composição, que é o principal determinante da eficiência do efeito.” "Em cristais nanométricos, as fortes interações elétron-elétron tornam os elétrons de alta energia instáveis. Estes elétrons somente existem em seu chamado estado virtual por um instante, antes de se passarem a um estado mais estável, que compreende dois ou mais elétrons," explica um dos pesquisadores da equipe, o Dr. Victor Klimov. Outra aplicação possível desses nanocristais está nas tecnologias de geração de combustível por processos solares. O principal exemplo é a quebra da molécula da água para produção de hidrogênio, por meio de foto-catálise. Esse processo exige quatro elétrons por molécula de água e sua eficiência pode ser incrivelmente melhorada se esses múltiplos elétrons puderem ser produzidos pela absorção de um único fóton.

Energia solar é armazenada quimicamente de forma eficiente
Engenheiros do Instituto Paul Scherrer, Suíça, conseguiram romper uma das maiores barreiras ao uso disseminado da energia solar: eles provaram ser técnica e economicamente viável o armazenamento da energia elétrica gerada a partir da luz do sol. A energia solar foi aproveitada em um reator que atinge temperaturas de 1.200 graus Celsius. O reator, fabricado na Suiça, foi instalado em uma indústria em Israel. A redução do óxido de zinco, gerando o zinco metálico puro, é uma forma interessante de se armazenar quimicamente a energia do sol: além de poder ser utilizada quando for necessária, ela pode ser transportada. O zinco pode ser utilizado tanto para a fabricação de baterias como para a produção de hidrogênio, reagindo com vapor de água. Em ambos os casos o zinco se recombina com o oxigênio, gerando novamente o óxido de zinco original. Esse, por sua vez, pode voltar ao início do processo. Após testes exaustivos com protótipos de reatores em nosso forno solar, começou a funcionar com sucesso nossa planta-piloto, no Instituto de Ciências Weizmann, em Rehovot, próximo a Tel Aviv," comemorou Christian Wieckert, coordenador do projeto. Os primeiros testes da usina solar de geração de energia elétrica empregaram 30 por cento da energia solar disponível, produzindo 45 quilos de zinco por hora, um volume superior ao esperado inicialmente. Para que se compare às plantas tradicionais de produção de zinco, os pesquisadores afirmam ser necessário atingir uma eficiência entre 50 e 60 por cento. O sucesso deste projeto solar abre caminho para o emprego em larga escala de um processo termoquímico, no qual a energia solar pode ser armazenada e transportada na forma de um combustível químico. No processo, o zinco é combinado com carvão, coque ou biomassa de carbono, que agem como um agente reativo. A eficiência do novo reator permite que o agente reativo utilizado seja apenas metade daquele empregado nas operações tradicionais.

O Brasil na produção de silício para painéis solares
Uma pesquisa para a obtenção de silício de alta pureza, que serviria à indústria de energia solar e eletrônica, está sendo desenvolvido pelo Centro de Tecnologia Mineral (Cetem), unidade de pesquisa do Ministério da Ciência e Tecnologia. Para isso, o Cetem tem a parceira da Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais (Cetec) e da Universidade de Campinas (Unicamp), entre outros. Segundo o diretor do Cetem, Adão Benvindo da Luz, o governo federal está montando um programa para a obtenção de silício para a área de energias alternativas. E o Cetem colabora com esse esforço, segundo disse Adão da Luz durante as comemorações dos 30 anos de atividades do CETEM na área de tecnologia mineral.

Cadeia produtiva do silício
O silício é matéria-prima usada para a fabricação dos painéis solares, que usam células fotovoltaicas, para transformar a energia solar em energia elétrica. O grande desafio agora é você produzir esse silício de grau solar porque, no momento, ele é importado", esclareceu. Hoje, o país fabrica as células fotovoltaicas, mas não produz o silício de grau solar. "Essa cadeia precisa ser fechada", observou o diretor do Cetem. "É um programa de médio a longo prazo", afirmou. Os investimentos deverão ser oriundos do fundo setorial CT Energia.

Silício grau solar
A expressão grau solar refere-se ao nível de pureza do silício que deve ser alcançado para que as células solares sejam eficientes. O grau menos puro do silício, utilizado para fabricação de aço, é chamado grau metalúrgico. A fabricação de chips de computador exige a mais alta pureza, chamada grau eletrônico.

Concentrador solar
O aproveitamento da energia solar aplicado a sistemas que requerem temperaturas mais elevadas ocorre por meio de concentradores solares, cuja finalidade é captar a energia solar incidente numa área relativamente grande e concentrá-la numa área muito menor, de modo que a temperatura desta última aumente substancialmente. A superfície refletora (espelho) dos concentradores tem forma parabólica ou esférica, de modo que os raios solares que nela incidem sejam refletidos para uma superfície bem menor, denominada foco, onde se localiza o material a ser aquecido. Os sistemas parabólicos de alta concentração atingem temperaturas bastante elevadas(8) e índices de eficiência que variam de 14% a 22% de aproveitamento da energia solar incidente, podendo ser utilizada para a geração de vapor e, conseqüentemente, de energia elétrica. Contudo, a necessidade de focalizar a luz solar sobre uma pequena área exige algum dispositivo de orientação, acarretando custos adicionais ao sistema, os quais tendem a ser minimizados em sistemas de grande porte. Entre meados e final dos anos 1980, foram instalados nove sistemas parabólicos no sul da Califórnia, EUA, com tamanhos que variam entre 14 MW e 80 MW, totalizando 354 MW de potência instalada (Figura 3.6). Os custos da eletricidade gerada têm variado entre US$ 90 e US$ 280 por megaWatthora. Recentes melhoramentos têm sido feitos, visando a reduzir custos e aumentar a eficiência de conversão. Em lugar de pesados espelhos de vidro, têm-se empregado folhas circulares de filme plástico aluminizado (NREL, 2000).

Além dos processos térmicos descritos acima, a radiação solar pode ser diretamente convertida em energia elétrica, por meio de efeitos da radiação (calor e luz) sobre determinados materiais, particularmente os semicondutores. O primeiro se caracteriza pelo surgimento de uma diferença de potencial, provocada pela junção de dois metais, quando tal junção está a uma temperatura mais elevada do que as outras extremidades dos fios. Embora muito empregado na construção de medidores de temperatura, seu uso comercial para a geração de eletricidade tem sido impossibilitado pelos baixos rendimentos obtidos e pelos custos elevados dos materiais. O efeito fotovoltaico decorre da excitação dos elétrons de alguns materiais na presença da luz solar (ou outras formas apropriadas de energia). Entre os materiais mais adequados para a conversão da radiação solar em energia elétrica, os quais são usualmente chamados de células solares ou fotovoltaicas, destaca-se o silício. A eficiência de conversão das células solares é medida pela proporção da radiação solar incidente sobre a superfície da célula que é convertida em energia elétrica. Atualmente,as melhores células apresentam um índice de eficiência de 25%(GREEN et al., Segundo B(2000), atualmente os custos de capital variam entre 5 e 15 vezes os custos unitários de uma usina a gás natural que opera com ciclo combinado. Os valores estão situados na faixa de US$ 200 a US$ 300 por megaWatt-hora e entre US$ 3 e US$ 7 mil por quiloWatt.

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