O que é  energia solar fotovoltaica

 

energia solar fotovoltaica é a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico) sendo a célula fotovoltaica, um dispositivo fabricado com material semicondutor, a unidade fundamental desse processo de conversão.[1]

Este tipo de energia usa-se para alimentar inumeráveis aplicativos e aparelhos autónomos, para abastecer refúgios ou moradias isoladas da rede elétrica e para produzir eletricidade a grande escala através de redes de distribuição. Devido à crescente demanda de energias renováveis, a fabricação de células solares e instalações fotovoltaicas tem avançado consideravelmente nos últimos anos.Entre os anos 2001 e 2015 produziu-se um crescimento exponencial da produção de energia fotovoltaica, dobrando-se aproximadamente a cada dois anos.A potência total fotovoltaica instalada no mundo (conectada à rede) ascendia a 16 GWp em 2008, 40 GWp em 2010, 100 GWp em 2012 e 140 GWp em 2013.No final de 2014, tinham-se instalado em todo mundo cerca de 180 GWp de potência fotovoltaica.

Graças a este crescimento, e a constante sofisticação e a economia de escala, o custo da energia solar fotovoltaica baixou gradualmente desde o inicio do seu desenvolvimento, aumentando a eficiência, e conseguindo que o seu custo médio de geração elétrica seja já competitivo com as fontes de energia convencionais num crescente número de regiões geográficas, atingindo a paridade de rede.

Energia solar fotovoltaica 3ª fonte de mais importante de energia

A energia solar fotovoltaica converteu-se na terceira fonte de energia renovável mais importante em termos de capacidade instalada a nível global, após as hidroelétricas e eólicas, e supõe já uma fracção significativa do mix elétrico na União Europeia, cobrindo em media os 3,5 % da procura de eletricidade e atingindo os 7 % nos períodos de maior produção.Em alguns países, como a Alemanha, Itáliaou Espanha, atinge máximos superiores a 10 %, do mesmo modo que no Japão ou em alguns estados solarengos dos Estados Unidos, como na Califórnia.A produção anual de energia elétrica gerada mediante esta fonte de energia a nível mundial equivalia em 2015 a cerca de 184 TWh, suficiente para abastecer as necessidades energéticas de milhões de lares e cobrindo aproximadamente um 1 % da demanda mundial de eletricidade.

 

História Energia solar fotovoltaica

O físico francês Alexandre-Edmond Becquerel foi o descobridor do efeito fotovoltaico em 1839, fundamental para o desenvolvimento das células fotoelétricas.

Esquema do campo elétrico criado numa célula fotovoltaica mediante a união pn entre duas capas de semicondutores dopados.

Estrutura básica de uma célula solar baseada em silício, e o seu princípio de funcionamento.

Ver artigo principal: Célula fotoelétrica

O termo “fotovoltaico” começou-se a usar no Reino Unido no ano 1849. Vem do grego φώς: phos, que significa “luz”, e de -voltaico, que vem do âmbito da eletricidade, em honra ao físico italiano Alessandro Volta

O efeito fotovoltaico foi reconhecido pela primeira vez uns dez anos antes, em 1839, pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel, mas a primeira célula solar não se fabricou até 1883.[19][20] Seu criador foi Charles Fritts, quem recobriu uma amostra de selênio semicondutor com pó de ouro para formar a união. Este dispositivo primitivo apresentava uma eficiência menor do 1 %, mas demonstrou de forma prática que, efectivamente, produzir eletricidade com luz era possível.Os estudos realizados no século XIX por Michael FaradayJames Clerk MaxwellNikola Tesla e Heinrich Hertz sobre indução eletromagnéticaforças elétricas e ondas eletromagnéticas, e sobretudo os de Albert Einstein em 1905, proporcionaram a base teórica ao efeito fotoelétrico, que é o fundamento da conversão de energia solar para eletricidade.

Energia solar fotovoltaica: Princípio de funcionamento

Ver artigo principal: Célula fotoelétrica

Num semicondutor exposto à luz, um fotão de energia arranca um elétron, criando ao mesmo tempo uma lacuna ou buraco no átomo excitado. Normalmente, o elétron encontra rapidamente outra lacuna para voltar a enchê-lo, e a energia proporcionada pelo fotão, por tanto, dissipa-se em forma de calor. O princípio de uma célula fotovoltaica é obrigar aos elétrons e as lacunas a avançar para o lado oposto do material em lugar de simplesmente recombinar-se nele: assim, produzir-se-á uma diferença de potencial e portanto tensão entre as duas partes do material, como ocorre numa pilha.

Para isso, cria-se um campo elétrico permanente, através de uma união pn, entre duas capas dopadas respectivamente, p e n. Nas células de silício, que são maioritariamente utilizadas, se encontram por tanto:

  • A capa superior da célula, que se compõe de silício dopado de tipo Nesta capa, há um número de elétrons livres maior que numa capa de silício puro, daí o nome do dopagem n, negativo. O material permanece eletricamente neutro, já que tanto os átomos de silício como os do material dopante são neutros: mas a rede cristalina tem globalmente uma maior presença de elétrons que numa rede de silício puro.
  • A capa inferior da célula, que se compõe de silício .Esta capa tem portanto uma quantidade média de elétrons livres menor que uma capa de silício puro. Os elétrons estão unidos à rede cristalina que, em consequência, é eletricamente neutra mas apresenta lacunas, positivas (p). A condução elétrica está assegurada por estes portadores de carga, que se deslocam por todo o material.

Energia solar fotovoltaica momento da criação da união pn

Os elétrons livres de capa n entram instantaneamente na capa p e se recombinam com as lacunas na região p. Existirá assim durante toda a vida da união, uma carga positiva na região n ao longo da união (porque faltam elétrons) e uma carga negativa na região em p ao longo da união (porque as lacunas têm desaparecido); o conjunto forma a «Zona de Carga de Espacial» (ZCE) e existe um campo elétrico entre as duas, de n para p. Este campo elétrico faz da ZCE um diodo, que só permite o fluxo de corrente numa direcção: os elétrons podem mover da região p ao n, mas não na direcção oposta e pelo contrário as lacunas não passam mais que de n para p.

Em funcionamento, quando um fotão arranca um elétron à matriz, criando um elétron livre e uma lacuna, sobre o efeito deste campo elétrico a cada um vai em direcção oposta: os elétrons acumulam-se na região n (para converter-se em polo negativo), enquanto as lacunas acumulam-se na região dopada p (que se converte no polo positivo). Este fenómeno é mais eficaz na zona de carga espacial, onde quase não há portadores de carga (elétrons ou lacunas), já que são anulados, ou na redondeza imediata à ZCE: quando um fotão cria um pare elétron-lacuna, separaram-se e é improvável que encontrem a seu oposto, mas se a criação tem lugar num lugar mais afastado da união, o elétron (convertido em lacuna) mantém uma grande oportunidade para recombinar-se antes de chegar à zona n. Mas a ZCE é necessariamente muito fina, de modo que não é útil dar uma grande espessura à célula. Efectivamente, a espessura da capa n é muito pequena, já que esta capa só se precisa basicamente para criar a ZCE que faz funcionar a célula. Em mudança, a espessura de capa p é maior: depende de um compromisso entre a necessidade de minimizar as recombinações elétron-lacuna, e pelo contrário permitir a captação do maior número de fotões possível, para o que se requere verdadeira mínima espessura.

Em resumo, uma célula fotovoltaica é o equivalente de um gerador de energia à que se acrescentou um diodo. Para conseguir uma célula solar prática, também é preciso acrescentar contactos elétricos (que permitam extrair a energia gerada), uma capa que proteja a célula mas deixe passar a luz, uma capa antireflexo para garantir a correta absorção dos fotões, e outros elementos que aumentem a eficiência do mesmo.

Primeira célula solar moderna

O engenheiro estadounidense Russell Ohl patenteou a célula solar moderna no ano 1946, ainda que outros pesquisadores tenham avançado o seu desenvolvimento anteriormente: o físico sueco Sven Ason Berglund tinha patenteado em 1914 um método que tratava de incrementar a capacidade das células foto-sensíveis, enquanto em 1931, o engenheiro alemão Bruno Lange tinha desenvolvido uma foto-célula usando selênio de prata em lugar de óxido de cobre

A era moderna da tecnologia solar não chegou até ao ano de 1954, quando os pesquisadores estadounidenses Gerald Pearson, Calvin S. Fuller e Daryl Chapin, dos Laboratórios Bell, descobriram de maneira acidental que os semicondutores de silício dopado com certas impurezas eram muito sensíveis à luz.Estes avanços contribuíram para a fabricação da primeira célula solar comercial. Empregaram uma união difusa de silício p–n, com uma conversão da energia solar de aproximadamente 6 %, com potência de 5 mWp e área de 2cm², um aumento comparado com as células de selênio que dificilmente atingiam os 0,5 %.

Posteriormente o estadounidense Les Hoffman, presidente da companhia Hoffman Electronics, através da sua divisão de semicondutores foi um dos pioneiros na fabricação e produção a grande escala de células solares. Entre 1954 e 1960, Hoffman conseguiu melhorar a eficiência das células fotovoltaicas até aos 14 %, reduzindo os custos de fabricação para conseguir um produto que pudesse ser comercializado.

A Estação Espacial Internacional, que obtém sua energia através de painéis fotovoltaicos, fotografada contra a negrura do espaço e a fina linha da atmosfera da Terra.

Primeiros aplicativos: energia solar espacial

As naves espaciais operando no interior do sistema solar normalmente dependem do uso de painéis solares fotovoltaicos para converter a eletricidade da irradiação. Na parte exterior do sistema solar, onde a luz solar e demasiado fraca para produzir potência suficiente, e usado um gerador termoelétrico de radioisótopos (RTGs) para dar energia à fonte da nave.

A primeira nave espacial que usou painéis solares foi o satélite norte-americano Vanguard 1, lançado em março de 1958 (hoje em dia o satélite mais antigo ainda em órbita). No desenho deste usaram-se células solares criadas por Les Peter num esforço liderado pela empresa Hoffman Electronics.[29] O sistema fotovoltaico permitiu-lhe seguir transmitindo durante sete anos enquanto as baterias químicas esgotaram-se em apenas 20 dias.[30] Isso foi em grande parte por causa da influência do Dr. Hans Ziegler, que pode ser considerado o pai da energia solar nas naves espaciais. Seguiram-se em 1959 o Explorer 6 e depois em 1962 o Telstar, que foi o primeiro satélite de comunicações equipado com células solares, capazes de proporcionar uma potência de 14 Wp.[31]

Energia solar fotovoltaica na industria espacial

Gradualmente, a indústria espacial opta pelo uso de células solares de arsenieto de gálio (GaAs), devido à sua maior eficiência frente às células de silício. Na década de 1970 desenvolvem-se células solares mais eficientes para uso no espaço, a partir de 1971, as estações espaciais soviéticas do programa Salyut foram os primeiros complexos orbitais tripulados a obter a sua energia a partir de células solares, acopladas em estruturas nas laterais do módulo orbital, do mesmo modo que a estação norte-americana Skylab, poucos anos depois.Foi nesta altura que também se iniciaram estudos do conceito de energia solar no espaço, que ambicionava o abastecimento energético terrestre mediante satélites espaciais, mas que enfrentou dificuldades técnicas e foi eliminada em 1981 por implicar um custo disparatado.

Não obstante, os aplicativos fotovoltaicos nos satélites espaciais continuaram o seu desenvolvimento. A produção de equipamentos de deposição química de metais por vapores orgânicos ou MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) não se desenvolveu até à década de 1980, limitando a capacidade das empresas na manufatura de células solares de arseneto de gálio.

A primeira empresa que manufaturou painéis solares em quantidades industriais, a partir de uniões simples de GaAs, com uma eficiência de 17 % em AM0 (Air Mass Zero), foi a norte-americana Applied Solar Energy Corporation(ASEC). As células de dupla união começaram a sua produção em quantidades industriais pela ASEC em 1989, de maneira acidental, como consequência de uma mudança do GaAs sobre os substratos de GaAs, para GaAs sobre substratos de germânio.

A tecnologia fotovoltaica, conquanto não é a única que se utiliza, segue predominando a princípios do século XXI nos satélites de órbita terrestre.Por exemplo, as sondas MagellanMars Global Surveyor e Mars Observer, da NASA, usaram painéis fotovoltaicos, bem como o telescópio espacial Hubble, em órbita à volta da Terra. A Estação Espacial Internacional, também em órbita terrestre, está dotada de grandes sistemas fotovoltaicos que alimentam todo o complexo espacial, do mesmo modo que em seu dia a estação espacial Mir.[44] Outros veículos espaciais que utilizam a energia fotovoltaica para se abastecer são a sonda Mars Reconnaissance OrbiterSpirit e Opportunity, os robôs da NASA em Marte.

O telescópio espacial Hubble, equipado com painéis solares, é posto em órbita desde o porão do cargueiro espacial Discovery em 1990.

A nave Rosetta, lançada em 2004 em órbita para um cometa tão longínquo do Sol como o planeta Júpiter (5,25 AU), dispõe também de painéis solares; anteriormente, o uso mais longínquo da energia solar espacial tinha sido o da sonda Stardust, a 2 AU.[48][49] A energia fotovoltaica empregou-se também com sucesso na missão europeia não tripulada à LuaSMART-1, proporcionando energia ao seu propulsor de efeito Hall.[50]

Primeiros aplicativos terrestres

Os aplicativos isolados da rede elétrica supuseram um dos primeiros usos terrestres da energia solar fotovoltaica, contribuindo em grande parte a seu desenvolvimento. Na imagem, farol de Noup Head no Reino Unido.

Desde o seu aparecimento na indústria aeroespacial, onde se converteu no meio mais fiável para fornecer energia elétrica nos veículos espaciais, a energia solar fotovoltaica tem desenvolvido um grande número de aplicativos terrestres.A primeira instalação comercial deste tipo realizou-se em 1966, no farol da ilha Ogami (Japão), permitindo substituir o uso de gás de tocha por uma fonte elétrica renovável e auto suficiente. Tratou-se do primeiro farol do mundo alimentado mediante energia solar fotovoltaica, e foi crucial para demonstrar a viabilidade e o potencial desta fonte de energia.

As melhoras produziram-se de forma lenta durante as seguintes duas décadas, e o único uso generalizado produziu-se nos aplicativos espaciais, nas que sua relação potência a peso era maior que a de qualquer outra tecnologia competidora. No entanto, este sucesso também foi a razão do seu lento crescimento: o mercado aeroespacial estava disposto a pagar qualquer preço para obter as melhores células possíveis, pelo que não tinha nenhuma razão para investir em soluções de menor custo se isto reduzia a eficiência. Em seu lugar, o preço das células era determinado em grande parte pela indústria dos semicondutores; sua migração para a tecnologia de circuitos integrados na década de 1960 deu lugar à disponibilidade de lingotes maiores a preços relativamente inferiores. Ao baixar o seu preço, o preço das células fotovoltaicas resultantes desceu também em igual medida. No entanto, a redução de custos associada a esta crescente popularização da energia fotovoltaica foi limitada, e em 1970 o custo das células solares ainda se estimava em 100 dólares por watt ($/Wp).

Redução de preços da Energia solar fotovoltaica

No final da década de 1960, o químico industrial estadounidense Elliot Berman estava a pesquisar um novo método para a produção da matéria prima de silício a partir de um processo em fita. No entanto, encontrou escasso interesse em seu projecto e não pôde obter o financiamento necessário para seu desenvolvimento. Mais tarde, num encontro casual, foi apresentado a uma equipa da companhia petrolífera Exxon que estavam a procurar projectos estratégicos a 30 anos de vista.

O grupo tinha chegado à conclusão de que a energia elétrica seria bem mais cara no ano 2000, e considerava que este aumento de preço faria mais atraentes às novas fontes de energia alternativas, sendo a energia solar a mais interessante entre estas. Em 1969, Berman uniu-se ao laboratório da Exxon em Linden, Nova Jérsia, denominado Solar Power Corporation (SPC)

Seu esforço foi dirigido em primeiro lugar a analisar o mercado potencial para identificar os possíveis usos que existiam para este novo produto, e rapidamente descobriu que se o custo por watt se reduzisse desde os 100 $/Wp a para cerca de 20 $/Wp surgiria uma importante procura. Consciente de que o conceito do “silício em fita” poderia demorar anos em se desenvolver, a equipa começou a procurar maneiras de reduzir o preço a 20 $/Wp usando materiais existentes.

Energia solar fotovoltaica

A constatação de que as células existentes se baseavam no processo regular de fabricação de semicondutores supôs um primeiro avanço, inclusive ainda que não se tratasse de um material ideal. O processo começava com a formação de um lingote de silício, que se cortava transversalmente em discos chamados waffers. Posteriormente realizava-se o polimento das waffers e, a seguir, para o seu uso como células, se dotava de um recobrimento com uma capa anti reflexo. Berman deu-se conta de que as waffers de corte grosseiro já tinham assim uma superfície frontal anti reflexo perfeitamente válida, e mediante a impressão dos elétrodos diretamente sobre esta superfície, se eliminaram dois passos importantes no processo de fabricação de células.

A sua equipa também explorou outras formas de melhorar a montagem das células em matrizes, eliminando os caros materiais e os fiamentos de condutores manuais utilizados até então em aplicativos espaciais. A sua solução consistiu em utilizar circuitos impressos na parte posterior, plástico acrílico na parte frontal, e cola de silicone entre ambos, embutindo as células. Berman deu-se conta de que o silício já existente no mercado já era “suficientemente bom” para seu uso em células solares. As pequenas imperfeições que podiam arruinar um lingote de silício (ou uma waffer individual) para seu uso em eletrônica, teriam pouco efeito em aplicativos solares. As células fotovoltaicas podiam fabricar-se a partir do material eliminado pelo mercado da eletrônica, o que traria como consequência uma grande melhora do seu preço.

Pondo em prática todas estas mudanças, a empresa começou a comprar a muito baixo custo silício recusado a fabricantes já existentes. Mediante o uso das waffers maiores disponíveis, o que reduzia a quantidade de condutores para um área de painel dado, e as empacotando em painéis com seus novos métodos, em 1973 a SPC estava a produzir painéis a 10 $/Wp e os vendendo a 20 $/Wp, diminuindo o preço dos módulos fotovoltaicos a uma quinta parte em apenas dois anos

Energia solar fotovoltaica no mercado da navegação marítima

A SPC começou a contactar com as companhias fabricantes de baliza de navegação oferecendo-lhes o produto, mas encontrou-se com uma situação curiosa. A principal empresa do setor era Automatic Power, um fabricante de baterias descartáveis. Ao dar-se conta de que as células solares podiam lhe retirar parte do negócio e os benefícios que o setor de baterias lhe produzia, a Automatic Power comprou um protótipo solar de Hoffman Electronics para terminar.

Ao ver que não tinha interesse por parte de Automatic Power, a SPC voltou-se então para a Tideland Signal, outra empresa fornecedora de baterias formada por ex-gerentes da Automatic Power.[53] A Tideland apresentou no mercado uma boia alimentada mediante energia fotovoltaica e cedo estava a arruinar o negócio da Automatic Power.

O momento não podia ser mais adequado, o rápido aumento no número de plataformas petrolíferas em alto mar e demais instalações de carga produziu um enorme mercado entre as companhias petrolíferas. Como a Tideland tinha tido sucesso, a Automatic Power começou então a tentar o seu próprio fornecimento de painéis solares fotovoltaicos.

Encontraram-se com Bill Yerkes, da Solar Power International (SPI) na Califórnia, que estava a procurar um mercado onde pudesse vender o seu produto. A SPI cedo foi adquirida por um dos seus clientes mais importantes, a gigante petrolífera ARCO, formando ARCO Solar. A fábrica da ARCO Solar em Camarillo (Califórnia) foi a primeira dedicada à construção de painéis solares, e esteve em funcionamento contínuo desde a sua compra pela ARCO em 1977 até 2011 quando foi encerrada pela empresa SolarWorld.[53]

Energia solar fotovoltaica e aEsta situação combinou-se com a crise do petróleo de 1973

 

As companhias petrolíferas dispunham agora de ingentes fundos devido aos seus enormes rendimentos durante a crise, mas também eram muito conscientes de que o seu sucesso futuro dependeria de alguma outra fonte de energia. Nos anos seguintes, as grandes companhias petrolíferas começaram a criação de uma série de empresas de energia solar, e foram durante décadas as maiores produtoras de painéis solares. As empresas ARCO, ExxonShellAmoco (mais tarde adquirida pela BP) e Mobil mantiveram grandes divisões solares durante as décadas de 1970 e 1980. As empresas de tecnologia também realizaram importantes investimentos, incluindo a General ElectricMotorolaIBM, Tyco e RCA.[54]

Energia solar fotovoltaica: Aperfeiçoando a tecnologia

Veículo elétrico propulsionado mediante energia fotovoltaica, vencedor do South African Solar Challenge.

Nas décadas decorridas desde os avanços de Berman, as melhoras têm reduzido os custos de produção abaixo de 1 $/Wp, com preços menores de 2 $/Wp para todo o sistema fotovoltaico. O preço do resto dos elementos de uma instalação fotovoltaica supõe agora um maior custo que os próprios painéis.

À medida que a indústria dos semicondutores desenvolveu-se para lingotes a cada vez maiores, os equipamento mais antigos ficaram disponíveis a preços reduzidos. As células cresceram em tamanho quando estes equipamentos antigos se fizeram disponíveis no mercado excedentário. Os primeiros painéis da ARCO Solar equipavam-se com células de 2 a 4 polegadas (51 a 100 mm) de diâmetro. Os painéis na década de 1990 e princípios de 2000 incorporavam geralmente células de 5 polegadas (125 mm), e desde o ano 2008 quase todos os novos painéis utilizam células de 6 polegadas (150 mm).Também a introdução generalizada dos televisores de ecrã plano no final da década de 1990 e princípios de 2000 levou a uma ampla disponibilidade de grandes lâminas de vidro de alta qualidade, que se utilizam na parte frontal dos painéis.

Em termos das próprias células, só tem tido uma mudança importante. Durante a década de 1990, as células de polisilício fizeram-se a cada vez mais populares. Estas células oferecem menos eficiência que aquelas de monosilício, mas se cultivam em grandes cubas que reduzem em grande parte o custo de produção.Em meados da década de 2000, o polisilício dominava no mercado de painéis de baixo custo.

Aplicativos da energia solar fotovoltaica

Parquímetro abastecido mediante energia solar fotovoltaica, em Edimburgo, Reino Unido.

Calculadora solar básica Sharp.

Refúgio de montanha alimentado mediante energia fotovoltaica, no Parque nacional de Aigüestortes e Lago de San Mauricio (Pireneus, Espanha).

A produção industrial a grande escala de painéis fotovoltaicos descolou na década de 1980, e entre os seus múltiplos usos podem-se destacar:

Energia solar fotovoltaica:Telecomunicações e sinalização

A energia solar fotovoltaica é ideal para aplicativos de telecomunicações, entre as que se encontram por exemplo as centrais locais de telefoniaantenas de rádio e televisão, estações repetidoras de microondas e outros tipos de ligações de comunicação electrónicos. Isto é como, na maioria dos aplicativos de telecomunicações, se utilizam baterias de armazenamento e a instalação elétrica se realiza normalmente em corrente contínua (DC). Em terrenos acidentados e montanhosos, os sinais de rádio e televisão podem ver-se interferidas ou refletidas devido ao terreno ondulado. Nestas localizações, instalam-se transmissores de baixa potência (LPT) para receber e retransmitir o sinal entre a população local.[58]

As células fotovoltaicas também se utilizam para alimentar sistemas de comunicações de emergência, por exemplo nos mastros de SOS (Telefones de emergência) em estradas, sinalização ferroviária, balizamento para protecção aeronáutica, estações meteorológicas ou sistemas de vigilância de dados ambientais e de qualidade da água.

Energia solar fotovoltaica:Dispositivos isolados

A redução no consumo energético dos circuitos integrados, fez possível no final da década de 1970 o uso de células solares como fonte de eletricidade em calculadoras, tais como a Royal Solar 1, Sharp O-8026 ou Teal Photon.[59]

Também outros dispositivos fixos que utilizam a energia fotovoltaica têm vindo aumentar o seu uso nas últimas décadas, em lugares onde o custo de conexão à rede elétrica ou o uso de pilhas desejáveis é proibitivamente caro. Estes aplicativos incluem por exemplo as luzes solares, bombas de água, parquímetros, telefones de emergência, compactadores de lixo, sinais de trânsito temporários ou permanentes, estações de carga ou sistemas remotos de vigilância.[60][61][62][63][64]

Eletrificação rural

Em meios isolados, onde se requer pouca potência elétrica e o acesso à rede é difícil, as placas fotovoltaicas se empregam como alternativa economicamente viável desde algumas décadas. Para compreender a importância desta possibilidade, convém ter em conta que aproximadamente uma quarta parte da população mundial ainda não tem acesso à energia elétrica.

Nos países em desenvolvimento, muitas aldeias encontram-se situadas em áreas remotas, a vários quilómetros da rede elétrica mais próxima. Devido a isso, se está a incorporar a energia fotovoltaica de forma crescente para proporcionar fornecimento elétrico a moradias ou instalações médicas em áreas rurais. Por exemplo, em lugares remotos da Índia um programa de iluminação rural tem previsto iluminação mediante lâmpadas LED alimentadas com energia solar para substituir aos lâmpadas de querosene. O preço das lâmpadas solares era aproximadamente o mesmo que o custo do fornecimento de querosene durante uns poucos meses.Cuba e outros países da América Latina estão a trabalhar para proporcionar energia fotovoltaica em zonas afastadas do fornecimento de energia elétrica convencional. Estas são áreas nas que os benefícios sociais e económicos para a população local oferecem uma excelente razão para instalar painéis fotovoltaicos, ainda que normalmente este tipo de iniciativas se viram relegadas a pontuais esforços humanitários.

Sistemas de bombagem

Os sistemas de bombagemfotovoltaico podem utilizar-se para proporcionar água em sistemas de irrigação, água potável em comunidades isoladas ou aguadeiros para o ganhado.

Ver artigo principal: Bombagem solar

Também se emprega a fotovoltaica para alimentar instalações de bombagem para sistemas de irrigação, água potável em áreas rurais e bebedoiros para o gado, ou para sistemas de dessalinização de água.

Os sistemas de bombagem fotovoltaico (ao igual que os alimentados mediante energia eólica) são muito úteis ali onde não é possível aceder à rede geral de eletricidade ou bem supõe um preço proibitivo. O seu custo é geralmente mais económico devido a seus menores custos de operação e manutenção, e apresentam um menor impacto ambiental que os sistemas de bombagem alimentados mediante motores de combustão interna, que têm ademais uma menor fiabilidade.

As bombas utilizadas podem ser tanto de corrente alternada (AC) como corrente contínua (DC). Normalmente empregam-se motores de corrente contínua para pequenas e médios aplicativos de até 3 kWp de potência, enquanto para aplicativos maiores utilizam-se motores de corrente alternada acoplados a um inversor que transforma para o seu uso a corrente contínua procedente dos painéis fotovoltaicos. Isto permite dimensionar sistemas desde 0,15 kWp até mais de 55 kWp de potência, que podem ser empregues para abastecer complexos sistemas de irrigação ou armazenamento de água.[74][75]

Sistemas híbridos solar-diesel[editar | editar código-fonte]

Devido à descida de custos da energia solar fotovoltaica, está a estender-se assim mesmo o uso de sistemas híbridos solar-diesel, que combinam esta energia com geradores diesel para produzir eletricidade de forma contínua e estável.[76] Este tipo de instalações estão equipadas normalmente com equipamentos auxiliares, tais como baterias e sistemas especiais de controle para conseguir em todo momento a estabilidade do fornecimento elétrico do sistema.[76]

Devido a sua viabilidade económica (o transporte de diesel no ponto de consumo costuma ser caro) em muitos casos substituem-se antigos geradores por fotovoltaica, enquanto as novas instalações híbridas desenham-se de tal maneira que permitem utilizar o recurso solar sempre que está disponível, minimizando o uso dos geradores, diminuindo assim o impacto ambiental da geração elétrica em comunidades remotas e em instalações que não estão ligadas à rede elétrica. Um exemplo disso o constituem as empresas mineiras, cujas explorações se encontram normalmente em campo aberto, afastadas dos grandes núcleos de população. Nestes casos, o uso combinado da fotovoltaica permite diminuir em grande parte a dependência do combustível diesel, permitindo poupanças de até os 70 % no custo da energia.

Este tipo de sistemas também se pode utilizar em combinação com outras fontes de geração de energia renovável, tais como a energia eólica.

Transporte e navegação marítima

Ainda que a fotovoltaica ainda não se utiliza de forma generalizada para proporcionar tracção no transporte, está-se a utilizar cada vez em maior medida para proporcionar energia auxiliar em barcos e automóveis. Alguns veículos estão equipados com ar acondicionado alimentado mediante painéis fotovoltaicos para limitar a temperatura interior nos dias de calor, enquanto outros protótipos híbridos utilizam-nos para recarregar as suas baterias sem necessidade de ligar à rede elétrica.Demonstrou-se sobeiramente a possibilidade prática de desenhar e fabricar veículos propulsionados mediante energia solar, bem como barcos e aviões, sendo considerado o transporte rodado o mais viável para a fotovoltaica.

Solar Impulsione é um projecto dedicado ao desenvolvimento de um avião propulsionado unicamente mediante energia solar fotovoltaica. O protótipo pode voar durante o dia propulsionado pelas células solares que cobrem as suas asas, ao mesmo tempo que carrega as baterias que lhe permitem manter no ar durante a noite.[88][89]

A energia solar também se utiliza de forma habitual em faróis, boias ou balizas de navegação marítima, veículos de recreio, sistemas de carga para os acumuladores elétricos dos barcos, e sistemas de protecção catódica.[53] O recarregamento de veículos elétricos está a ser cada vez maior na sua importância.[87]

Energia solar fotovoltaica integrada em edifícios

Cobertura solar situada no estacionamento da Universidade Autónoma de Madri (Madri, Espanha).

Projeco BIPV ISSOL na estação de caminho-de-ferro Gare TGV de PerpinhãFrança.

Muitas instalações fotovoltaicas encontram-se com frequência situadas nos edifícios: normalmente situam-se sobre um telhado já existente, ou bem se integram em elementos da própria estrutura do edifício, como entra luzes, claraboias ou fachadas.[90]

Alternativamente, um sistema fotovoltaico também pode ser montado fisicamente separado do edifício, mas conectado à instalação elétrica do mesmo para fornecer energia. Em 2010, mais de 80 % dos 9000 MWp de fotovoltaica que a Alemanha tinha em funcionamento por então, se tinham instalado sobre telhados.

A fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV, em suas siglas em inglês) está a incorporar-se de forma a cada vez mais crescente como fonte de energia elétrica principal ou secundária nos novos edifícios domésticos e industriais, e inclusive em outros elementos arquitectónicos, como por exemplo pontes. Teçe-las com células fotovoltaicas integradas são também bastante comuns neste tipo de integração.

Segundo um estudo publicado em 2011, o uso de imagens térmicas tem demonstrado que os painéis solares, sempre que exista uma brecha aberta pela que o ar possa circular entre os painéis e o teto, proporcionam um efeito de refrigeração passiva nos edifícios durante o dia e também ajudam a manter o calor acumulado durante a noite.

Fotovoltaica de conexão à rede

Uma dos principais aplicativos da energia solar fotovoltaica mais desenvolvida nos últimos anos, consiste nas centrais conectadas à rede para fornecimento elétrico, bem como os sistemas de autoconsumo fotovoltaico, de potência geralmente menor, mas igualmente ligados à rede elétrica.[77]

Componentes de uma central solar fotovoltaica[editar | editar código-fonte]

Uma central solar fotovoltaica conta com diferentes elementos que permitem seu funcionamento, como são os painéis fotovoltaicos para a captação da radiação solar, e os inversores para a transformação da corrente contínua em corrente alternada.[95] Existem outros, os mais importantes se mencionam a seguir:

Painéis solares fotovoltaicos[editar | editar código-fonte]

Ver artigo principal: Painel solar fotovoltaico

Geralmente, um módulo ou painel fotovoltaico consiste numa associação de células, encapsulada em duas capas de EVA (etileno-vinilo-acetato), entre uma lâmina frontal de vidro e uma capa posterior de um polímero termoplástico(frequentemente emprega-se o tedlar) ou outra lâmina de cristal quando se deseja obter módulos com algum grau de transparência.[96] Muito frequentemente este conjunto é enquadrado numa estrutura de alumínio anodizado com o objectivo de aumentar a resistência mecânica do conjunto e facilitar a ancoragem do módulo às estruturas de suporte.[96]

As células empregadas mais comuns nos painéis fotovoltaicos são de silício, e pode-se dividir em três subcategorias:

Inversores

Um inversor solar instalado numa central de conexão a rede em Speyer, Alemanha.

Ver artigo principal: Inversores

corrente elétrica contínua que proporcionam os módulos fotovoltaicos se pode transformar em corrente alternada mediante um aparelho eletrônico chamado inversor[95] e injetar na rede elétrica (para venda de energia) ou bem na rede interior (para autoconsumo).

O processo, simplificado, seria o seguinte:

  • Gera-se a energia a baixas tensões (380-800 V) e em corrente contínua.
  • Transforma-se com um inversor em corrente alternada.
  • Em centrais de potência inferior a 100 kWp injeta-se a energia diretamente à rede de distribuição em baixa tensão (400 V em trifásico ou 230 V em monofásico).
  • E para potências superiores aos 100 kWp utiliza-se um transformador para elevar a energia a média tensão (15 ou 25 kV) e injeta-se nas redes de transporte para seu posterior fornecimento.

Seguidores solares

Central solar situada na Base da Força Aérea Nellis (Nevada, Estados Unidos). Estes painéis seguem o percurso do Sol sobre um eixo.

O uso de seguidores a um ou dois eixos permite aumentar consideravelmente a produção solar, em torno de 30 % para os primeiros e um 6 % adicional para os segundos, em lugares de elevada radiação direta.

Os seguidores solares são bastante comuns em aplicativos fotovoltaicos. Existem de vários tipos:

  • Em dois eixos: a superfície mantém-se sempre perpendicular ao Sol.
  • Num eixo polar: a superfície gira sobre um eixo orientado ao sul e inclinado um ângulo igual à latitude. O giro ajusta-se para que a normal à superfície coincida em todo momento com o meridiano terrestre que contém ao Sol.
  • Num eixo azimutal: a superfície gira sobre um eixo vertical, o ângulo da superfície é constante e igual à latitude. O giro ajusta-se para que a normal à superfície coincida em todo momento com o meridiano local que contém ao Sol.
  • Num eixo horizontal: a superfície gira num eixo horizontal e orientado em direcção norte-sul. O giro ajusta-se para que a normal à superfície coincida em todo momento com o meridiano terrestre que contém ao Sol.

Condutor elétrico

Conectores de um painel solar, utilizados para transportar a corrente contínua gerada pelo mesmo até o inversor, onde se transforma geralmente em corrente alternada para sua posterior utilização.

Ver artigo principal: Condutor elétrico

É o elemento que transporta a energia elétrica desde a sua geração, para sua posterior distribuição e transporte. Seu dimensionamento vem determinado pelo critério mais restritivo entre a máxima queda de tensão admissível e a intensidade máxima admissível. Aumentar as seções do condutor que se obtêm como resultado dos cálculos teóricos contribui vantagens acrescentadas como:

  • Linhas mais descarregadas, o que prolonga a vida útil dos condutores.
  • Possibilidade de aumento de potência da central sem mudar o condutor.
  • Melhor resposta a possíveis Curto-circuitos.
  • Melhora do rácio de performance (PR) da instalação.

Centrais de concentração fotovoltaica

Seguidor solar dotado com painéis de concentração fotovoltaica, capaz de produzir 53 kW. A seu lado encontra-se o veículo elétrico Tesla Roadster, permitindo apreciar sua escala.

Outro tipo de tecnologia nas centrais fotovoltaicas são as que utilizam uma tecnologia de concentração chamada CPV pelas suas siglas em inglês (Concentrated Photovoltaics) para maximizar a energia solar recebida pela instalação, ao igual que numa central térmica solar.[102] As instalações de concentração fotovoltaica situam-se em localizações de alta irradiação solar direta, como são os países de ambos bordas do MediterrâneoAustráliaEstados UnidosChinaÁfrica do SulMéxico, etc. Até ao ano 2006 estas tecnologias faziam parte do âmbito de investigação, mas nos últimos anos puseram-se em marcha instalações de maior tamanho como a de ISFOC (Instituto de Sistemas Solares Fotovoltaicos de Concentração) em Puertollano (Castela-Mancha) com 3 MWp fornecendo eletricidade à rede elétrica.[103][104][105]

A ideia básica da concentração fotovoltaica é a substituição de material semicondutor por material reflexivo ou refractante (mais barato). O grau de concentração pode atingir um fator de 1000, de tal modo que, dada a pequena superfície de célula solar empregada, se pode utilizar a tecnologia mais eficiente (tripla união, por exemplo).Por outro lado, o sistema óptico introduz um fator de perdas que faz recuperar menos radiação que a fotovoltaica plana. Isto, unido à elevada precisão dos sistemas de rastrear, constitui a principal barreira a resolver pela tecnologia de concentração.

Recentemente anunciou-se o desenvolvimento de centrais de grandes dimensões (acima de 1 MW). As centrais de concentração fotovoltaica utilizam um seguidor de duplo eixo para possibilitar um máximo aproveitamento do recurso solar durante todo o dia.

Desenvolvimento pelo mundo

Historicamente, os Estados Unidos liderou a instalação de energia fotovoltaica desde os seus inícios até 1996, quando a sua capacidade instalada atingia os 77 MW, mais que qualquer outro país até a data. Nos anos posteriores, foram superados pelo Japão, que manteve a liderança até que a sua vez Alemanha a ultrapassou em 2005, mantendo a liderança desde então. A começos de 2015, a Alemanha aproximava-se aos 40 GWp instalados. No entanto, a China é um dos países onde a fotovoltaica está a experimentar um crescimento mais vertiginoso. Espera-se que triplique a sua potência instalada atual até os 70 GWp em 2017, se convertendo em curto prazo no maior produtor de energia fotovoltaica do mundo.

Mapa-múndi de radiação solar. Os pequenos pontos no mapa mostram a área total de fotovoltaica necessária para cobrir a procura mundial de energia usando painéis solares com uma eficiência de 8 %.