ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA - University of São Paulo

[Pages:71]Energia Solar Fotovoltaica :

Fundamentos, Convers?o e Viabilidade t?cnico-econ?mica

PEA ?2420 PRODU??O DE ENERGIA Profa Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas GEPEA ? Grupo de Energia

Escola Polit?cnica Universidade de S?o Paulo

Fevereiro / 2004

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1- INTRODU??O

A energia solar pode ser convertida diretamente em eletricidade utilizando-se das tecnologias de c?lulas fotovoltaicas. ? vista como uma tecnologia do futuro, visto que se utiliza uma fonte limpa e inesgot?vel que ? o Sol.

No atual estado da arte desta tecnologia, ela s? encontra viabilidade econ?mica em aplica??es de pequeno porte em sistemas rurais isolados (Ilumina??o, bombeamento de ?gua etc), servi?os profissionais (retransmissores de sinais, aplica??es mar?timas) e produtos de consumo (rel?gio, calculadoras).

Por?m, sabe-se que o mercado fotovoltaico ? ainda uma fra??o do que poderia ser, visto que existe uma parcela significativa da popula??o mundial, cerca de 1 bilh?o de habitantes ou aproximadamente 20% da popula??o mundial, localizadas principalmente nas ?reas rurais, que n?o t?m acesso a eletricidade .

Pesquisas feitas nos ?ltimos 10 anos, resultando em aumento da efici?ncia dos m?dulos e diminui??o consider?vel nos custos de produ??o, sinalizam boas perspectivas futuras, inclusive para aplica??es de maior porte. Este futuro depende tamb?m do aumento das press?es mundiais para a utiliza??o de fontes energ?ticas renov?veis e limpas e a continuidade da linha de pensamento governamental dos pa?ses industrializados que buscam uma diversifica??o das fontes de suprimento energ?tico.

Este trabalho, dividido em duas partes, procura apresentar informa??es b?sicas relacionadas ao fundamento da energia solar fotovoltaica incluindo, princ?pio de funcionamento, determina??o do recurso solar, estado da arte da tecnologia, principais aplica??es, projeto, custos, impactos ambientais, bem como um panorama geral da utiliza??o dos m?dulos fotovoltaicos no mundo.

2- HIST?RICO

O conhecimento do efeito fotovoltaico remonta ao s?culo XIX, quando em 1839 Becquerel demonstrou a possibilidade de convers?o da radia??o luminosa em energia el?trica mediante a incid?ncia de luz em um eletrodo mergulhado em uma solu??o de eletr?lito. Esse mesmo efeito ? observado num s?lido, o sel?nio, em 1877 por Adams e Day na Inglaterra. Em 1883 aparece a primeira c?lula solar produzida com sel?nio, com efici?ncia de convers?o de aproximadamente 1%.

J? neste s?culo, na d?cada de 30, os trabalhos de diversos pioneiros da f?sica do estado s?lido, como Lange, Grondahl e Schottkl, apresentaram importantes contribui??es para se obter uma clara compreens?o do efeito fotovoltaico em jun??o do estado s?lido. Em 1941, Ohl obt?m a primeira fotoc?lula de sil?cio monocristalino. No ano de 1949, Billing e Plessnar medem a efici?ncia de fotoc?lulas de sil?cio cristalino, ao mesmo tempo em que a teoria da jun??o P-N de Shockely ? divulgada. ?, por?m, apenas em 1954 que surge a fotoc?lula de sil?cio com as caracter?sticas semelhantes ?s encontradas hoje com efici?ncia de 6%.

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O ano de 1958 marca o in?cio, com grande sucesso, da utiliza??o de fotoc?lulas nos programas espaciais, sendo este o principal uso das c?lulas solares at? o final da d?cada de 70.

Grande impulso foi dado ? utiliza??o terrestre da gera??o fotovoltaica a partir da crise mundial de energia em 1973/1974. A partir do fim da d?cada de 70, o uso terrestre supera o uso espacial, sendo que esta diferen?a tem aumentado grandemente.

Este uso crescente vem sendo acompanhado por inova??es que permitem o aumento da efici?ncia de convers?o de energia das fotoc?lulas, bem como uma significativa redu??o de seus custos.

O problema da efici?ncia de convers?o e custo de material, e ainda o grande conhecimento adquirido pela teoria f?sica das c?lulas t?m impulsionado a pesquisa de c?lulas solares produzidas com materiais diferentes do sil?cio monocristalino. Atualmente s?o estudados e mesmo utilizados o sil?cio policristalino e amorfo, o arseneto de g?lio e o sulfeto de c?dmio, dentre outros. No entanto, o conhecimento da tecnologia que emprega o sil?cio, em particular o monocristal e a abund?ncia da mat?ria prima que lhe d? origem, tem sido as raz?es mais importantes que tornaram o sil?cio o material predominante no processo de desenvolvimento tecnol?gico.

3- O RECURSO SOLAR

O Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre, 5,445 1024 joules ou 1,5125 1018 kWh de energia. Trata-se de um valor consider?vel comparado, por exemplo, com o total de energia produzido em 1970 por todos os sistemas desenvolvidos pelo homem, que foi igual a 2 1020 joules ou 0,004% da energia recebida do Sol.

Ao longo do s?culo, uma aten??o crescente est? sendo dada ao estudo das possibilidades de aproveitamento desta forma de energia. Isto requer um conhecimento detalhado da mesma, de quanta energia est? realmente dispon?vel e em que freq??ncia e comprimento de onda.

3.1 Caracter?sticas fundamentais

A transmiss?o da energia do Sol para a Terra se d? atrav?s da radia??o eletromagn?tica, sendo que 97% da radia??o solar est? contida entre comprimentos de onda de 0,3 a 3,0 m, o que caracteriza como uma radia??o de ondas curtas.

Para a an?lise da radia??o na superf?cie terrestre ? importante o conhecimento da intensidade da radia??o e de sua composi??o. A radia??o solar incidente no limite superior da atmosfera sofre uma s?rie de reflex?es, dispers?es e absor??es durante o seu percurso at? o solo devido as flutua??es clim?ticas.

A incid?ncia total da radia??o solar sobre um corpo localizado no solo ? a soma das componentes direta, difusa e refletida (figura 1). Radia??o direta ? a radia??o proveniente diretamente do disco solar e que n?o sofreu nenhuma mudan?a de dire??o al?m da provocada pela refra??o atmosf?rica. Radia??o difusa ? aquela recebida por um corpo ap?s a dire??o dos raios solares ter sido modificada por reflex?o ou espalhamento na atmosfera. A radia??o refletida depende das caracter?sticas do solo e da inclina??o do equipamento captador.

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Figura 1 ? Forma de incid?ncia da radia??o solar na superf?cie Os n?veis de radia??o solar em um plano horizontal na superf?cie da Terra variam com as esta??es do ano, devido principalmente ? inclina??o do seu eixo de rota??o em rela??o ao plano da ?rbita em torno do Sol. Variam tamb?m com a regi?o, devido principalmente ?s diferen?as de latitude, condi??es meteorol?gicas e altitudes. A figura 2 mostra o perfil da radia??o solar incidente num mesmo local em dias consecutivos.

Figura 2 ? Perfil de incid?ncia da radia??o solar num determinado local 25

3.2 Instrumentos de medi??o da radia??o solar

Os instrumentos solarim?tricos medem a pot?ncia incidente por unidade de superf?cie, integrada sobre os diversos comprimentos de onda. A radia??o solar cobre toda a regi?o do espectro vis?vel, 0,4 a 0,7 m, uma parte do ultravioleta pr?ximo de 0,3 a 0,4 m, e o infravermelho no intervalo de 0,7 a 5 m. As medi??es padr?es s?o a radia??o total e componente difusa no plano horizontal e a radia??o direta normal. Existem v?rios instrumentos de medi??o da radia??o solar podendo-se destacar:

Heli?grafo ? Este instrumento tem por objetivo medir a dura??o da insola??o, ou seja, o per?odo de tempo em que a radia??o solar supera um dado valor de refer?ncia. O heli?grafo opera a partir da focaliza??o da radia??o solar sobre uma carta que, como resultado da exposi??o, ? enegrecida. O comprimento desta regi?o mede o chamado n?mero de horas de brilho de Sol. Piran?metros ? S?o instrumentos que medem a radia??o total, ou seja, a radia??o que vem de todas as dire??es no hemisf?rio. Destacam-se os piran?metros fotovoltaicos e termoel?tricos. Piroheli?metros ? ? um instrumento utilizado para medir a radia??o direta. Ele se caracteriza por possuir uma pequena abertura de forma a "ver" apenas o disco solar e a regi?o vizinha, denominada circunsolar. Actin?grafos ? S?o utilizados para medi??o da radia??o total ou sua componente difusa , possuindo o sensor e registrador na mesma unidade. Consiste essencialmente em um receptor com tr?s tiras met?licas, a central de cor preta e as laterais brancas. As tiras brancas est?o fixadas e a preta est? livre em um uma extremidade, e ir?o se curvar, quando iluminadas, em conseq??ncia dos diferentes coeficientes de dilata??o dos metais que as comp?em.

Devido a natureza estoc?stica da radia??o solar incidente na superf?cie terrestre, ? conveniente basear as estimativas e previs?es do recurso solar em informa??es solarim?tricas levantadas durante prolongados per?odos de tempo.

Os dados solarim?tricos s?o apresentados habitualmente na forma de energia coletada ao longo de um dia, sendo este par?metro uma m?dia mensal ao longo de muitos anos. As unidades de medi??o mais frequentes s?o : Langley/dia (ly/dia), cal/cm2dia, Wh/m2 ( 1 ly/dia = 11,63 Wh/m2 = 0,486 W/m2).

Com as condi??es atmosf?ricas ?timas, ou seja, c?u aberto sem nuvens, a ilumina??o m?xima observada ao meio-dia num local situado ao n?vel do mar se eleva a 1kW/m2. Atinge 1,05 kW/m2 a 1000 metros de altura e 1,1 kW/m2 nas altas montanhas. A intensidade fora da atmosfera se eleva a 1,377 kW/m2 e ? chamada de constante solar. Trata-se de um valor m?dio, pois varia com a dist?ncia da terra em torno do Sol.

Para se ter uma id?ia da intensidade da radia??o solar total incidente em alguns locais da superf?cie da Terra, podemos citar como exemplos uma superf?cie horizontal no sul da Europa Ocidental (Sul da Fran?a) que recebe em m?dia por ano uma radia??o de 1500 kWh/m2, e no norte, a energia varia entre 800 a 1200 kWh/m2 por ano. Uma superf?cie no deserto do Saara recebe cerca de 2600 kWh/m2ano, que dizer, duas vezes a m?dia europ?ia.

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O Brasil possui um ?timo ?ndice de radia??o solar, principalmente o nordeste brasileiro. Na regi?o do semi-?rido temos os melhores ?ndices, com valores t?picos de 200 a 250 W/m2 de pot?ncia cont?nua, o que equivale entre 1752 kWh/m2 a 2190kWh/m2 por ano de radia??o incidente. Isto coloca o local entre as regi?es do mundo com maior potencial de energia solar.

3.3 Estimativa da radia??o solar

A realiza??o de projetos de sistemas solares exige o conhecimento da energia coletada pelo plano de abertura dos equipamentos, em nosso caso, os pain?is fotovoltaicos (figura 3). Habitualmente, as esta??es solarim?tricas fornecem dados de radia??o solar global, m?dia mensal, sempre no plano horizontal.

Figura 3 ? Plano de abertura do equipamento

A partir dos dados fornecidos pelas esta??es solarim?tricas, existem m?todos que permitem gerar dados numa escala de tempo qualquer, seja di?ria, hor?ria ou ainda menor. A utiliza??o de uma escala temporal reduzida permite avaliar o desempenho do equipamento solar em condi??es mais pr?ximas da realidade, pois leva em conta as varia??es no comportamento dos componentes estudados com a varia??o da radia??o incidente em per?odos de tempo compat?veis com outros modelos: de carga, por exemplo.

Os dados da radia??o solar podem ser especificados em termos de fluxo de pot?ncia (valores instant?neos ? kW) ou energia ? kWh (com diversos per?odos de integra??o) por unidade de ?rea. A forma mais comum de apresenta??o dos dados de radia??o ? atrav?s de valores m?dios mensais para a energia cumulada ao longo do dia.

Uma forma bastante conveniente de se expressar o valor acumulado de energia solar ao longo de um dia ? atrav?s do n?mero de horas de Sol Pleno. Esta grandeza reflete o n?mero de horas em que a radia??o solar deve permanecer constante e igual a 1kW/m2 de forma que a energia resultante seja equivalente ? energia acumulada para o dia e local em

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quest?o. Mostra-se abaixo, um exemplo de c?lculo de n?mero de horas de Sol Pleno (SP) para um caso em que a energia di?ria acumulada ? de 6kWh/m2.

SP = 6[kWh/ m2] = 6 [horas/dia] 1[kW / m2]

4 - SISTEMA DE CONVERS?O ? C?LULAS FOTOVOLTAICAS 4.1 Princ?pio de funcionamento

A energia solar fotovoltaica ? a energia obtida atrav?s da convers?o direta da luz em eletricidade atrav?s do efeito fotovoltaico.

Existem na natureza materiais classificados como semicondutores, que se caracterizam por possu?rem uma banda de val?ncia totalmente preenchida por el?trons e uma banda de condu??o totalmente vazia ? temperaturas muito baixas. A figura 4 ilustra a forma??o de uma c?lula fotovoltaica.

A separa??o entre as duas bandas de energia permitida nos semicondutores (gap de energia) ? da ordem de 1eV, o que os diferencia dos isolantes onde o gap ? de v?rios eVs. Isto faz com que os semicondutores apresentem v?rias caracter?sticas interessantes. Uma delas ? o aumento de sua condutividade com a temperatura, devido ? excita??o t?rmica de portadores da banda de val?ncia para a banda de condu??o. Uma propriedade fundamental para as c?lulas fotovoltaicas ? a possibilidade de f?tons, na faixa do vis?vel, com energia superior ao gap do material, excitarem el?trons ? banda de condu??o. Este efeito, que pode ser observado em semicondutores puros, tamb?m chamados de intr?nsecos , n?o garante por si s? o funcionamento de c?lulas fotovoltaicas. Para obt?-las ? necess?rio uma estrutura apropriada para que os el?trons excitados possam ser coletados, gerando uma corrente ?til.

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Figura 4 - Composi??o de uma c?lula fotovoltaica

O semicondutor mais utilizado ? o sil?cio. Seus ?tomos se caracterizam por possu?rem quatro el?trons de liga??o que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se ?tomos com cinco el?trons de liga??o, como o f?sforo, por exemplo, haver? um el?tron em excesso que n?o poder? ser emparelhado e que ficar? sobrando, fracamente ligado a seu ?tomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia t?rmica, este el?tron se livre, indo para a banda de condu??o. Diz-se assim, que o f?sforo ? um dopante doador de el?trons e denomina-se dopante n ou impureza n.

Se, por outro lado, introduzem-se ?tomos com apenas tr?s el?trons de liga??o, como ? o caso do boro, haver? uma falta de um el?tron para satisfazer as liga??es com os ?tomos de sil?cio da rede. Esta falta de el?tron ? denominado buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca energia t?rmica, um el?tron de um s?tio vizinho pode passar a esta posi??o, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se, portanto, que o boro ? um aceitador de el?trons ou um dopante p.

? temperatura ambiente, existe energia t?rmica suficiente para que praticamente todos os el?trons em excesso dos ?tomos de f?sforo estejam livres, bem como que os buracos criados pelos ?tomos de boro possam se deslocar.

Se, partindo de um sil?cio puro, forem introduzidos ?tomos de boro em uma metade e ?tomos de f?sforo na outra, ser? formado o que se chama de jun??o pn (figura 4). O que ocorre nesta jun??o ? que os el?trons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam; isto faz com que haja um ac?mulo de el?trons no lado p, tornando-o negativamente carregado e uma redu??o de el?trons do lado n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas d?o origem a um campo el?trico permanente que dificulta a passagem de mais el?trons do lado n para o lado p; este processo alcan?a um equil?brio quando o campo el?trico forma uma barreira capaz de barrar os el?trons livres remanescentes no lado n. A figura 5 mostra a varia??o do campo el?trico na dire??o perpendicular ? jun??o pn.

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