Energia solar, Células Fotovoltaico, Energia Eletrica

1. UNIVERSIDADE TUIUTI DO PARANÁ
Joel Claudiano
Marcio Knopp
Pedro Gustavo Schier
Paulo Henrique Antunes
Pierre
ENERGIA SOLAR
CURITIBA

2. 2010
1 INTRODUÇÃO
O sol é fonte de energia renovável, o aproveitamento desta energia tanto como
fonte de calor quanto de luz, é uma das alternativas energéticas mais promissoras
para enfrentarmos os desafios do novo milênio. A energia solar é abundante e
permanente, renovável a cada dia, não polui e nem prejudica o ecossistema é a
solução ideal para áreas afastadas e ainda não eletrificadas, especialmente num
país como o Brasil onde se encontram bons índices de insolação em qualquer parte
do território. De acordo com um estudo publicado em 2007 pelo Conselho mundial
de Energia, em 2100, 70% da energia consumida será de origem solar. O objetivo do
trabalho é apresentar as formas de aproveitar a energia solar na geração de energia
elétrica.
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3. 3

4. 2 DESENVOLVIMENTO
2.1 O EFEITO FOTOVOLTAÍCO
O efeito fotovoltaico, que é a base da geração direta de eletricidade a partir da
energia solar é conhecido desde de 1839, através de estudos realizados, Alexandre
Edmond Becquerel (1820-1891). A utilização do efeito fotovoltaico para gerar
eletricidade. baseia-se na propriedade de certos materiais existentes na natureza,
denominados semicondutores, de possuírem uma banda de valência totalmente
preenchida com elétrons e uma banda de condução totalmente vazia a temperaturas
muito baixas. Quando os fótons da luz solar na faixa do espectro de radiação visível
incidem sobre este material excitam elétrons da banda de valência enviando-os a
banda de condução. A energia presente nos fótons é transferida para os átomos
liberando estes elétrons com alta energia. Uma barreira consegue impedir que estes
elétrons retornem a sua posição anterior podendo-se direciona-los para um circuito
elétrico, gerando-se uma tensão e uma corrente elétrica. O elemento semicondutor
mais utilizado atualmente é o silício. Quando se adicionam impurezas como o
fósforo ou como o boro, criam-se elementos de silício com excesso (tipo N) ou com
falta de elétrons (tipo P). Esses elementos podem ser combinados em uma junção
pn. Quando os elétrons em excesso do lado n são excitados por fótons solares,
atravessam a linha demarcatória formada na junção pn e são impedidos de retornar
por uma barreira que se forma na junção. Com isso os elétrons se acumulam do
lado p tornado-o um pólo negativo enquanto o lado N torna-se um pólo positivo.
Quando se interliga externamente os dois pólos, através de um fio condutor, há
passagem de uma corrente elétrica que tende a equilibrar os dois pólos novamente.
Se a incidência dos fótons solares sobre a superfície da célula é contínua a corrente
elétrica se manterá, transformando a célula em um gerador de eletricidade.
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5. 2.1.1 Evolução das células fotovoltaicas
A primeira geração de células fotovoltaicas consiste numa camada única e de
grande superfície p-n diodo de junção, capaz de gerar energia elétrica utilizável a
partir de fontes de luz com os comprimentos de onda da luz solar. Estas células são
normalmente feitas utilizando placas de silício. A primeira geração de células
constituem a tecnologia dominante na sua produção comercial, representando mais
de 86% do mercado.
A segunda geração de materiais fotovoltaicos está baseada no uso de
películas finas de depósitos de semicondutores. A vantagem de utilizar estas
películas é a de reduzir a quantidade de materiais necessários para as produzir, bem
como de custos. Atualmente (2006), existem diferentes tecnologias e materiais
semicondutores em investigação ou em produção de massa, como o silício amorfo,
silício poli-cristalino ou micro-cristalino, telúrico de cádmio, copper indium
selenide/sulfide. Tipicamente, as eficiências das células solares de películas são
baixas quando comparadas com as de silício compacto, mas os custos de
manufatura são também mais baixos, pelo que se pode atingir um preço mais
reduzido por watt. Outra vantagem da reduzida massa é o menor suporte que é
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6. necessário quando se colocam os painéis nos telhados e permite arrumá-los e
dispô-los em materiais flexíveis, como os têxteis.
A terceira geração fotovoltaica é muito diferente das duas anteriores, definida
por utilizar semicondutores que dependam da junção p-n para separar partículas
carregadas por fotogestão. Estes novos dispositivos incluem células foto
eletroquímicas e células de nano cristais.
2.1.2 Rendimento de um gerador fotovoltaico
Vários parâmetros podem afetar o rendimento do conjunto de módulos solares
fotovoltaicos, também denominado gerador fotovoltaico. O principal deles é o
parâmetro radiação solar, que depende fundamentalmente da localização geográfica
da instalação bem como de sua inclinação e orientação. A temperatura dos painéis o
sombreamento parcial, o descasamento entre painéis, as resistências dos
condutores e o estado de limpeza dos painéis também influenciam na performance
do sistema gerador fotovoltaico.
Os efeitos da inclinação e orientação dos painéis no rendimento do gerador
dependem da razão entre a radiação direta e difusa locais. A inclinação e a
orientação exata não são, no entanto, críticas, ao contrário de uma percepção
freqüente de que módulos solares somente podem ser instalados em estruturas
voltadas para o norte (sul no hemisfério norte), de preferência móveis para poder
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7. seguir o sol e que se assemelham mais a um satélite do que a um edifício. Para uma
grande variedade de orientações possíveis pode-se atingir um incidência de mais
95% da radiação máxima. Esta afirmação somente é válida para uma superfície livre
de obstruções.
Sob certas condições, uma célula solar parcialmente sombreada pode vir a
atuar como uma carga, o que pode levar a um aquecimento excessivo da célula e
possivelmente a destruição do módulo. Este efeito conhecido como hot spot, pode
ser evitado pela instalação de diodos de bypass entre cada célula de um módulo, o
que por outro lado leva a uma perda de rendimento.
2.1.3 Painéis Solares Fotovoltaicos
Painéis solares fotovoltaicos são dispositivos utilizados para converter a
energia da luz do Sol em energia elétrica. Os painéis solares fotovoltaicos são
compostos por células solares, assim designadas já que captam, em geral, a luz do
Sol, são projetados e fabricados para serem utilizados em ambientes externos, sob
sol, chuva e outros agentes climáticos, devendo operar satisfatoriamente nestas
condições por períodos de 30 anos ou mais. Sistemas solares fotovoltaicos
integrados ao envelope da construção podem ter a dupla função de gerar
eletricidade e funcionar como elemento arquitetônico na cobertura de telhados,
paredes, fachadas ou janelas.
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8. Princípio de funcionamento de um Painel Fotovoltaico aplicado em um
sistema residencial:
Quando o sol brilha sobre os módulos solares há produção de corrente
elétrica, os condutores (fios/cabos) conduzem a eletricidade dos módulos ao
controlador de carga, que dirige a eletricidade para as baterias para carregá-las;
As baterias acumulam a eletricidade para uso diurno ou noturno e os
controladores de carga enviam corrente aos aparelhos de mesma tensão (Ex:
Lâmpadas 12V);
Os inversores devem ser ligados diretamente nas baterias e enviam corrente
aos aparelhos de tensão diferente (ex: TV 110V);
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9. 2.1.4 Autonomia do sistema
Para manter uma TV 29” ligada por 02 horas, o que consumiria 30A, seria
necessária a implantação de um módulo KC130 TM que mede cerca de 1,4x0.6m.
sendo que se for excedida a capacidade informada pelo fabricante, provavelmente
irá faltar energia.
A COPEL (Companhia Paranaense de Energia Elétrica), esta com um projeto
piloto que visa atender as comunidades mais isoladas no litoral do Paraná através
de energia gerada por painéis fotovoltaicos, segundo conclusões do LabSolar da
Universidade Federal de Santa Catarina para uma residência funcionar
adequadamente é preciso, no mínimo, um inversor de 1500 Watts de potência, ao
menos um conjunto de 08 placas solares de 210Wp, oito baterias de 220 amperes e
um controlador de carga de 220 amperes, cada unidade fotovoltaica saíra em torno
de R$ 40.000,00.
2.2 GRANDES INSTALAÇÕES SOLARES
O número e dimensão das centrais solares fotovoltaicas têm
aumentado substancialmente nos últimos anos, especialmente na Espanha, onde
localizam 40 das 50 maiores centrais.
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10. 2.2.1 Tipos de grandes instalações solares
2.2.1.1 Central de Torre Solar
Em suma nestas centrais existe uma torre receptora como mostra a figura que
recebe os raios refletidos por espelhos sempre orientados para o sol (helióstatos) e
é arrefecida por um sal liqüefeito O sal é bombeado para o depósito "frio" a cerca de
290ºC para a torre e daí segue para o depósito "quente" a 565ºC. Este sal é utilizado
para produzir vapor de água a 540ºC num gerador de vapor. Este vapor é utilizado
para accionar as turbinas da central, à semelhança do que ocorre noutros tipos de
centrais térmicas.
2.2.1.2 Dish Stirling
Este sistema de concentrador parabólico tem uma forma muito similar a um
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11. grande satélite, e é constituído por uma superfície, geralmente em alumínio ou prata,
depositado em vidro ou em plástico, que reflete a radiação incidente para uma outra
superfície de absorção, mais pequena, a que se dá o nome de Focus, pois está
situado no ponto focal.
A eficiência de reflexão deste tipo de espelhos é de 95%, estes coletores têm
uma razão de concentração muito elevada, tendo por isso as maiores eficiências
para conversão de energia solar.
2.2.1.3 Concentradores parabólicos cilíndricos “TROUGH”
Os sistemas mais simples de concentradores parabólicos são os
concentradores cuja forma é cilíndrica e diferencia-se dos concentradores planos
pela particularidade de concentrar a radiação incidente antes de esta chegar ao
absorvedor.
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12. Estes são parabólicos somente numa dimensão e usualmente são alongados.
Um concentrador parabólico cilíndrico é constituído por uma superfície espelhada
encurvada de forma parabólica, que tem a função de encaminhar os raios solares
para um tubo de absorção.
Neste tubo circula o fluido, aquecido por convecção natural, sendo que esta
circulação é efetuada através uma bomba auxiliar. Este fluido após atravessar o
absorvedor é encaminhado para um permutador de calor, que permitir trocas de
calor entre o fluido e água que se encontra armazenada num tanque de
armazenamento térmico.
2.2.1.4 Chaminé Solar
É constituído por um telhado de vidro (ou outro material transparente) que
forma uma estufa, por uma chaminé e por turbinas eólicas.
O ar sob um teto de vidro é aquecido por radiação solar e sobe através de
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13. uma chaminé, o ar quente que acabou de subir é substituído pelo ar que entra pela
borda do teto de vidro e, em seguida, começa a aquecer.
Dessa forma o calor da radiação solar é convertido em energia cinética do ar
que sobe constantemente para movimentar a turbina construída na chaminé. A
turbina então converte, através de um gerador, a energia de movimentação do ar em
energia elétrica.
Ao contrário das centrais com espelhos refletores, o colector de vidro continua
a operar com céu nublado, utilizando a radiação difusa.
2.3 ENERGIA SOLAR NO MUNDO
Em 2004 a capacidade instalada mundial de energia solar era de 2,6 GW,
cerca de 18% da capacidade instalada de Itaipu. Os principais países produtores,
curiosamente, estão situados em latitudes médias e altas. O maior produtor mundial
era o Japão, seguido da Alemanha e Estados Unidos.
Entrou em funcionamento em 27 de março de 2007 a Central Solar
Fotovoltaica de Serpa (CSFS), a maior unidade do gênero do Mundo. Fica situada
em Portugal, numa das áreas de maior exposição solar da Europa tem capacidade
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14. instalada de 11 MW, suficiente para abastecer cerca de oito mil habitações.
Muito mais ambicioso é o projeto australiano uma central de 154 MW, capaz
de satisfazer o consumo de 45 000 casas. Esta se situará em Victoria prevê-se que
entre em funcionamento em 2013 com o primeiro estágio pronto em 2010. A redução
de emissão de gases de estufa conseguida por esta fonte de energia limpa será de
400 000 toneladas por ano.
2.4 ENERGIA SOLAR NO BRASIL
A Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) começou a regulamentar a
geração de energia elétrica com fontes intermitentes (energia solar fotovoltaica e
eólica) somente em 2004, com a resolução 083. Este documento estabelece que o
fornecimento de energia por estes sistemas deve ser feito em corrente alternada e
tensão igual à usada nos sistemas de distribuição convencionais. Além disso, as
concessionárias que decidirem pela utilização desta opção tecnológica deverão
apresentar projeto para aprovação da Aneel, contemplando aspectos técnicos dos
sistemas, procedimentos para leitura e faturamento.
Conforme informa o professor de energia solar Ricardo Rüther, da
Universidade Federal de Santa Catarina. “Uma casa com uma conta de
aproximadamente 100 reais precisará de um sistema de dois quilowatt s de
potência, que custaria em torno de 14 mil dólares”. O preço médio do watt fica entre
4 e 5 dólares, cerca de cinco vezes mais caro do que o hidrelétrico, e o desempenho
varia de acordo com os índices de incidência solar de cada região.
Se nas áreas cobertas pela rede elétrica o preço da energia solar ainda
assusta, para as regiões mais afastadas trata-se de uma alternativa viável. Segundo
dados do Ministério das Minas e Energias, existem cerca de 10 milhões de
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15. brasileiros vivendo em localidades sem energia elétrica.
2.5 ANÁLISE DAS VANTAGENS E DESVANTAGENS
2.5.1 Vantagens:
• Redução dos impactos ambientais;
• A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois
sua instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos
em linhas de transmissão.
• Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável
em praticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de
produção energética, sua utilização ajuda a diminuir a demanda
energética nestes e consequentemente a perda de energia que ocorreria
na transmissão.
2.5.2 Desvantagens:
• Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com as condições o
climáticas, além de que durante a noite não existe produção alguma, o que
obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante
o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de
transmissão de energia.
• As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando
comparadas por exemplo aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), a
energia hidroelétrica (água) e a biomassa (bagaço da cana ou bagaço da
laranja);
3 CONCLUSÃO
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16. A energia solar sem duvida vai contribuir muito para o parque gerador
mundial, atualmente ainda esta em evolução, não é uma forma de energia muito
consolidada comparada a hidroeletricidade, porém para alguns casos é mais viável,
em comunidades afastadas por exemplo ou onde não existam alternativas. Durante
a pesquisa percebemos também que o sol pode contribuir de diversas maneiras
com a economia de energia, em projetos que aproveitam melhor a iluminação
natural, ou utilizando a energia do sol para o aquecimento de água, medidas
simples que contribuem para a economia de energia.
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SABADY. A energia solar na habitação. Cetop,1979.
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17. PALZ, Wolfgang. Energia solar e fontes alternativas. São Paulo: Hemus,1981.
Cartilha da Energia Solar. Disponível em http://www.solarbrasil.com.br Acesso em
03/04/2010
Energia Solar. Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_solar Acesso em
02/04/2010.
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