A energia fotovoltaica é uma fonte de energia renovável que basicamente transforma a radiação ou a energia solar em eletricidade. Estima-se que a produção fotovoltaica mundial cobre entre 3,5% e 7% da procura de eletricidade existente.
Esta forma de geração de energia, uma vez instalada e em funcionamento, não gera quaisquer gases com efeito de estufa ou outros tipos de poluição. Além disso, é muito fácil de adaptar a instalação às necessidades dos seus usuários.
As suas principais desvantagens são que necessita de luz solar direta para maximizar a sua eficiência e que, normalmente, as horas de irradiação solar máxima não coincidem com as horas de maior procura de eletricidade.
A célula fotoeléctrica
É o elemento básico dos painéis fotovoltaicos e representa o elemento chave de todo o processo de produção de eletricidade.
Em resumo, a função das células fotoeléctricas (também conhecidas como células, fotocélulas ou células fotovoltaicas, entre outras) é transformar a luz em tensão e corrente elétrica. Um fenómeno que é manifestado por alguns semicondutores e que se chama efeito fotoeléctrico.
Este efeito, embora descoberto por Heinrich Hertz em 1887, só teria uma base teórica quase 20 anos mais tarde no artigo “Heurística da geração e conversão da luz” publicado por Albert Einstein.
Princípio de funcionamento
O princípio por detrás desta tecnologia, sem entrar em demasiados detalhes sobre os seus fundamentos físicos, baseia-se na capacidade de um fóton atingir um átomo semicondutor e excitá-lo, libertando assim um elétron e criando um buraco.
Os elétrons normalmente encontram um novo buraco para ocupar rapidamente, e a energia fornecida pelo fóton é dissipada em forma de calor.
A peculiaridade dos materiais que compõem as fotocélulas é que forçam os elétrons e buracos a moverem-se em vez de recombinarem ao mesmo tempo. Isto cria uma diferença potencial, tal como uma bateria.
Fabrico de fotocélulas
As técnicas de fabrico destas células são semelhantes às de outros dispositivos semicondutores, embora o grau de pureza das matérias-primas necessárias, ou o próprio processo, não sejam tão exigentes.
O processo é, em geral, semelhante ao seguinte:
- A matéria-prima, como o quartzo, é levada e introduzida num forno onde é obtido silício fundido..
- As impurezas são eliminadas.
- Processos como o de Czochralski produzem lingotes monocristalinos.
- O lingote é cortado em fatias muito finas (pastilhas) de 200 µm.
- Limpeza e polimento das pastilhas.
- Dopagem das pastilhas, que pode ser realizada durante o processo Czochralski no caso da dopagem do Boro (B) ou, como é feito com o Fósforo (P), trazendo as pastilhas abaixo do ponto de fusão na presença de gás fósforo.
- As células são ligadas umas às outras por contatos elétricos e são acrescentadas tiras metálicas finas para “capturar” a eletricidade gerada.
- É acrescentado um revestimento anti-reflexo para evitar fugas.
- As células solares são encapsuladas e colocadas na estrutura do painel.
Tipos de células fotovoltaicas
Embora existam vários tipos de células, vamos concentrar-nos nos dois tipos mais populares.
Células de silício policristalino
Também conhecidas como células multicristalinas, caracterizam-se por cristais múltiplos que se formam durante o esfriamento do silício. Isto resulta num aspecto não-uniforme.
Têm uma eficiência de cerca de 100 Wp/m2 (volts pico por metro quadrado) com uma alta eficiência de 14%.
É utilizado especialmente em climas quentes, uma vez que sofre menos de sobreaquecimento.
Células de silicio monocristalino
Para além das células solares, é também utilizada como base para chips de silício, embora as exigências sobre as imperfeições destes sejam muito mais limitativas.
A sua eficiência e desempenho é um pouco superior, com quase 150 Wp/m2 e 14-16% respectivamente.
Ao contrário das anteriores, são menos tolerantes a temperaturas elevadas.
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Aplicações de energia solar fotovoltaica
As aplicações deste tipo de energia são muito diversas. Neste artigo vamos centrar-nos nas instalações de auto-consumo doméstico de eletricidade, mas primeiro vamos enumerar algumas das muitas utilizações que tem:
Mecanismos isolados
São normalmente dispositivos pequenos que são alimentados por uma pequena placa ou grupo de fotocélulas.
O exemplo mais típico é a calculadora solar, mas hoje em dia podemos encontrar todo o tipo de dispositivos como candeeiros, bombas de água ou parquímetros.
Transporte e navegação
Embora a sua utilização como fonte de energia primária seja mais experimental do que prática, está a ser cada vez mais utilizada como sistema auxiliar de energia, tanto em automóveis como em barcos.
O World Solar Challenge na Austrália é muito popular. Uma corrida em que várias equipas (principalmente empresas, universidades ou institutos) competem com os seus respectivos carros solares ao longo de 3021 km de deserto.
Explorações solares
Também chamados parques solares, nada mais são do que centrais fotovoltaicas, nas quais são instalados grandes sistemas de painéis solares para gerar eletricidade e alimentar a rede.
Telecomunicações
Este tipo de energia é muito útil em centrais telefónicas, antenas de rádio ou repetidores de microondas, onde é geralmente instalado em conjunto com baterias. Desta forma, o serviço não é interrompido em caso de falha de energia.
Aeroespacial
Uma das primeiras aplicações da tecnologia fotovoltaica. Os painéis solares são utilizados há muito tempo em satélites, desde que os EUA lançaram o Vanguard 1 em 1958.
Autoconsumo fotovoltaico por meio de painéis solares
O auto-consumo fotovoltaico é entendido como a produção de energia para consumo próprio, obviamente utilizando painéis solares.
Este tipo de instalação encontra-se principalmente em casas unifamiliares onde, em geral, a instalação e dimensionamento do sistema é mais simples.
Elementos básicos de um sistema fotovoltaico “doméstico”.
Os principais componentes de uma instalação solar fotovoltaica padrão incluem:
Painéis fotovoltaicos: os responsáveis pela produção de energia elétrica, com base no princípio físico que já detalhámos no início deste artigo.
Baterias: acumular a energia gerada para utilização posterior, geralmente à noite e durante as horas de pouca luz.
Inversor: transforma corrente contínua em corrente alternada.
Reguladores de carga: impedir a carga/descarga excessiva das baterias, prolongando a sua vida útil.
É de notar que nem todos os elementos têm de estar presentes numa instalação, excepto os painéis, para que esta seja plenamente funcional. Tudo depende das necessidades de cada projeto.
Classificação dos sistemas fotovoltaicos de autoconsumo
Entre as diferentes opções atualmente disponíveis, podemos distinguir, a nível técnico, vários tipos de instalações, dependendo de estarem ou não ligadas à rede elétrica convencional e de como esta ligação é feita.
De esta manera podemos diferenciar:
Sistema fotovoltaico isolado
Como o nome sugere, estes são sistemas completamente fora da rede. São especialmente populares em áreas onde o acesso à eletricidade é mais limitado.
Neste tipo de instalação, a utilização de baterias é essencial porque, se não estivessem presentes, a disponibilidade de eletricidade seria limitada às horas de luz solar.
É muito comum encontrar instalações deste tipo que combinam circuitos separados para AC e DC, ou seja, têm dispositivos que funcionam em corrente contínua (principalmente 12V/24V), tais como iluminação, e outros que funcionam em corrente alternada, tais como uma televisão.
Sistema fotovoltaico ligado à rede
Neste caso, a rede convencional serve como reserva quando a energia solar gerada não é suficiente, eliminando a necessidade de instalar baterias e reduzindo o custo da instalação.
Aqui podemos fazer a distinção na legislação atual entre instalações com ou sem produção em excesso descarregada na rede (um sistema isolado obviamente não alimenta de novo a rede de distribuição).
Sabemos agora um pouco mais sobre como funciona a energia solar fotovoltaica e as suas muitas aplicações.