celulas fotovoltaicas

celulas fotovoltaicas

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Cássio Araújo do Nascimento

Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do curso de Pós-Graduação Lato-Sensu em Fontes alternativas de energia, para a obtenção do título de especialização.

Orientador

Prof. Es. Carlos Alberto Alvarenga

LAVRAS MINAS GERAIS - BRASIL 2004

Cássio Araújo do Nascimento

Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do curso de Pós-Graduação Lato-Sensu em Fontes alternativas de energia, para a obtenção do título de especialização.

APROVADA em _ de _ de
Prof
Prof

Prof.Es. Carlos Alberto Alvarenga UFLA (Orientador)

Lista de figuras06
Resumo07
1 - Introdução08
2 - CélulasFotovoltaicas1
2.1 - História da Célula Fotovoltaica1
2.2 - Efeito Fotovoltaico14
2.3 - Estrutura de uma Célula Fotovoltaica17
2.4 - Células de Silício Monocristalino18
2.5 - Células de Silício Policristalino18
2.6 - Células de Silício Amorfo19
2.7 - Células de Filmes Finos19
3 - Considerações Finais21
Figura 2.1 - Ilustração básica de uma célula de silício12
Figura 2.2 - Ilustração de uma célula13
Figura 2.3 - Ilustração da estrutura de uma célula14
Figura 2.4 - Fotografia de uma célula de silício monocristalino15
Figura 2.5 - Fotografia de célula de silício policristalino15

LISTA DE FIGURAS Figura 2.6 - Fotografia de uma célula de silício amorfo................................................16

Sem produzir ruído ou qualquer tipo de poluição, utilizando energia limpa, e inesgotável do Sol, as células fotovoltaicas vem constituindo painéis fotovoltaicos interligados à rede elétrica pública a fim de contribuir com a economia na geração de energia de formas convencionais, bem como diminuir os impactos ambientais com novas construções.

Este trabalho apresenta basicamente algumas das melhores células já consolidadas no mercado e suas potencialidades, abordando o princípio básico de funcionamento de cada uma, levando em consideração sua eficiência.

1 - INTRODUÇÃO

A exploração intensa das reservas esgotáveis de combustíveis fósseis e os danos causados ao meio ambiente apresentam um cenário preocupante para o próximo século. Nesse contexto assume crucial importância a busca de fontes alternativas de energias renováveis e não poluentes, como a solar e a eólica.

Vários países investem nas aplicações da energia solar, analisando desde as características do fluxo de radiação solar que chega a terra até a tecnologia necessária para viabilizar, em termos técnicos e econômicos, o máximo aproveitamento dessa energia.

O Brasil também busca soluções para o futuro, elaborando estudos para avaliar a eficácia de pequenos módulos solares, em regiões remotas e o mapeamento do potencial energético solar existente no país, para estabelecer uma política nacional ao setor.

Para a complementação da energia hidrelétrica é necessária uma fonte energética com várias características particulares: limpa (não poluente), não escassa, distributiva e que possa ser usada em residências, indústrias e em estabelecimentos comercias. Uma das que possui todas essas características é a energia elétrica fotovoltaica.

Aspectos técnicos e econômicos muitas vezes inviabilizam suas utilizações para a geração de energia elétrica, mas não para a sua utilização de outra forma. As faltas de informação por parte dos consumidores e de uma política de incentivo adequada são os maiores obstáculos para a utilização dessa fonte de energia. Além disso, esses fatores contribuem fortemente para criar a concepção generalizada de inviabilidade econômica de todos os usos de energias não convencionais. Segundo a diretoria de operações da Eletrobrás, na hora do pico entre 18:0 h e 20:0 h, os chuveiros elétricos são responsáveis por quase 20% do consumo nacional de eletricidade (ANEEL, 1998). A substituição dos chuveiros elétricos por aquecedor solar possibilitaria a diminuição da conta de energia do consumidor residencial.

A utilização da energia solar possui várias vantagens, como a economia na conta de energia, a diminuição da demanda pela energia do sistema nacional, adiando assim, a construção de novas barragens e usinas termelétricas e nucleares, que geram diversos impactos – ambientais e por ser uma fonte de energia renovável e limpa, sem produzir resíduos poluentes.

Utilizando a energia elétrica fotovoltaica para fornecer energia a um circuito responsável pela iluminação em residências, pequenas cargas como: rádios, televisores, vídeo cassete, dvd e outros, os sistemas aquecedor solar, fotovoltaico e energia convencional trabalhando de forma conjugada, proporcionaria uma maior economia.

A energia solar fotovoltaica é obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico). Edmond Becquerel relatou o fenômeno em 1839, quando nos extremos de uma estrutura de matéria semicondutora surge o aparecimento de uma diferença de potencial elétrico, devido à incidência de luz. No processo de conversão da energia radiante em energia elétrica a célula é a unidade fundamental.

O silício é o segundo elemento mais abundante no globo terrestre. Em 1993 a produção de células fotovoltaicas atingiu a marca de 60 Mwp. O silício é explorado sob diversas formas: monocristalino, policristalino e amorfo. Outros materiais alternativos estão sendo testados para essa aplicação, como exemplo as células de filmes finos, em que seu processo de fabricação requer menor custo, porém sua eficiência energética é baixa se comparada com as de silício convencional. Mas sua aplicação é melhor em equipamentos de baixo consumo.

O Brasil apresenta uma radiação solar média acima de 2500 horas/ano, por ter como característica um clima tropical. Desta forma a energia solar fotovoltaica poderá ser bem mais utilizada, principalmente em regiões remotas em que a rede de distribuição não alcançou. A preservação do meio ambiente é um fator muito importante e que muitas vezes é “ignorado” com a ampliação das linhas de transmissão e construções de usinas hidrelétricas. Além da importante tarefa de conscientização e sócio-cultural pelo uso de uma energia limpa e gratuita e a economia de energia elétrica convencional.

Quando se evita o gasto de energia elétrica convencional, causada pela utilização da energia solar, há benefícios para a economia e impedem-se perdas ambientais além da importante tarefa de conscientização ambiental e sócio-cultural pelo uso de uma energia limpa e gratuita.

A energia solar fotovoltaica já é viável em diversas aplicações, mas, como sistema autônomo para uso doméstico, não consegue competir com o preço da energia elétrica das concessionárias via rede pública de distribuição, devido principalmente ao alto investimento inicial requerido e custo de manutenção do sistema de armazenamento. Mas aqui é importante salientar, que, neste caso, o usuário deixa de ser mero consumidor, passando a ser um autoprodutor de energia elétrica. O que é uma situação bastante diferenciada.

Uma aplicação da energia fotovoltaica para áreas urbanas, é o sistema fotovoltaico interligado a rede pública. Esta configuração dispensa armazenamento local e não necessita atender toda a demanda do consumidor.

O aproveitamento da energia gerada é quase total, pois quando houver excesso da produção em relação ao consumo, este é repassado a concessionária, gerando crédito para o proprietário.

2 - CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

2.1 - História da Célula Fotovoltaica

A conversão da energia solar em energia elétrica é realizada através do efeito fotovoltaico observado por Edmond Bequerel em 1839. Foi observada uma diferença de potencial nas extremidades de uma estrutura semicondutora, quando incidia uma luz sobre ela. Impulsionadas pelas novas descobertas da microeletrônica, em 1956 foram construídas as primeiras células fotovoltaicas industriais.

O elevado custo na sua fabricação inviabilizava sua utilização prática a não ser em aplicações especiais, como sistema autônomo de fornecimento de energia elétrica para satélites. Neste caso o custo não era um fator limitante e as características de confiabilidade e de baixo peso, tornaram as células fotovoltaicas a maneira mais conveniente e segura de gerar eletricidade no espaço.

Em estações remotas de telecomunicações foram empregadas células fotovoltaicas para o fornecimento de energia elétrica, devido a comprovação das suas características e desempenho no espaço.

Outro agente impulsionador das pesquisas dessa tecnologia para aplicações diversas, inclusive para complementação do sistema elétrico existente, foi a crise do petróleo em 1973. A energia solar passou a atrair o interesse do governo, com a possibilidade real do esgotamento das reservas petrolíferas.

Mas o custo de produção das células era um fator preocupante em relação a quantidade de energia produzida por ela. Era preciso reduzir o custo significativamente. Por isso o desenvolvimento do mercado foi muito lento. Mas em

1978 a produção já chegava a 1 Mwp/ano. Com o aumento da escala de produção e a pesquisa de tecnologia em materiais usados na fabricação das células o custo e o preço começaram a diminuir. Após quinze anos a produção já alcançava 60 Mwp/ano.

Na década de 90 marca o desenvolvimento acelerado da industria fotovoltaica.

Visando ampliar os horizontes para utilização em massa da energia solar como opção energética, inúmeros programas mundiais foram lançados para a demonstração da viabilidade técnica-comercial da energia solar fotovoltaica em projetos de eletrificação rural nos países em desenvolvimento.

Passada a crise do petróleo, muitas empresas petrolíferas deixaram o ramo do desenvolvimento de novas células. Mas outros fatores continuaram impulsionando a industria: o fortalecimento do movimento de defesa do meio ambiente e o desenvolvimento do grande mercado da eletrificação rural principalmente nos países subdesenvolvidos. A produção mundial em 1998 era prevista em torno de 100 Mwp1 .

Hoje um dos maiores desafios que o setor enfrenta é a redução de custos dos sistemas fotovoltaicos. Com as novas tecnologias em desenvolvimento, principalmente a dos filmes finos, poderão provocar reduções significativas nos custos dos módulos fotovoltaicos. O desenvolvimento de modelos auto-sustentados de eletrificação rural com sistemas fotovoltaicos é o maior desafio. O baixo nível cultural e econômico da maior parte das populações limita o desenvolvimento do mercado.

Estimativas levam a crer que cerca de 30% da população mundial, algo como 2 bilhões de pessoas, ainda vivam em condições dependentes do carvão ou biomassa tradicional para cozinhar alimentos e usando velas, pilhas, querosene e diesel para geração de eletricidade.

1 Mwp - mega watt pico (condição de máxima potência)

A energia solar fotovoltaica tem como “vocação” a utilização em pequenas instalações (pequenas cargas) que a torna, econômica, eficiente e segura. O Brasil dispõe de um dos maiores potenciais do mundo para o aproveitamento de energias renováveis principalmente a energia solar, e além de ecologicamente correto, é uma fonte inesgotável de energia.

2.2 - Efeito Fotovoltaico

Células fotovoltaicas são fabricadas com material semicondutor, ou seja, material com características intermédias entre um condutor e um isolante.

O silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui elétrons livres e, portanto é mal condutor elétrico. Para alterar isto acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem. A dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com elétrons livres ou materiais com portadores de carga negativa (silício tipo N).

Realizando o mesmo processo, mas agora acrescentado Boro ao invés de

Fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, falta de elétrons ou material com cargas positivas livres (silício tipo P).

Cada célula solar compõe-se de camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P (ver figura 2.1)

Figura 2.1

Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras. Mas ao serem unidas, na região P-N, forma-se um campo elétrico devido aos elétrons livres do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Ao incidir luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons chocam-se com outros elétrons da estrutura do silício fornecendo-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado pela junção P-N, os elétrons são orientados e fluem da camada “P” para a camada “N”.

Por meio de um condutor externo, ligando a camada negativa à positiva, gerase um fluxo de elétrons (corrente elétrica). Enquanto a luz incidir na célula, manter-seá este fluxo.

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