O documento descreve a energia solar fotovoltaica, incluindo seu princípio de funcionamento, componentes das células solares, tipos de células e películas, eficiência de conversão, tempo de retorno energético e aplicações no Portugal.

1. Instituto Superior de Entre Douro e Vouga
Engenharia da Produção e Manutenção Industrial│2006/2007
Máquinas Eléctricas
Trabalho realizado por:
Sérgio Paulo Lopes da Rocha

2. Energia Fotovoltaica
Í NDICE
1. Introdução ........................................................................................................................... 3
2. Efeito Fotovoltaico............................................................................................................... 4
3. Componentes da Célula Fotovoltaica.................................................................................. 5
4. Composição do Módulo Fotovoltaico................................................................................... 6
5. Tipos e Células e Películas Fotovoltaicas ........................................................................... 6
6. Eficiência de Conversão...................................................................................................... 7
7. Tempo de Retorno Energético ............................................................................................ 7
8. Esquema de Funcionamento de um Sistema Autónomo Fotovoltaico ................................. 7
9. Recurso Solar em Portugal. ................................................................................................ 8
10. Tipologias............................................................................................................................ 8
11. Especificidades ................................................................................................................... 8
12. Exemplos de Aplicações ..................................................................................................... 9
13. Conclusão ......................................................................................................................... 10
14. Bibliografia ........................................................................................................................ 10
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3. Energia Fotovoltaica
1. I NTRODUÇÃO
A energia solar fotovoltaica consiste na conversão de energia solar em electricidade, é uma
fonte de energia limpa pois o seu funcionamento não tem emissões indesejáveis, e é renovável,
devido à natureza inesgotável do sol. Tem, além disso, outras vantagens como o longo tempo de
vida dos seus equipamentos (ronda os 30 anos), a sua baixa manutenção, (sendo apenas
necessário prestar alguma atenção aos acumuladores) a sua modularidade e portabilidade.
Este trabalho pretende descrever o princípio de funcionamento das células fotovoltaicas e
alguns aspectos da sua integração em sistemas de electricidade solar.
Falar-se-á ainda de alguns aspectos que por vezes parecem ensombrar as virtudes da
energia solar eléctrica, nomeadamente a eficiência de conversão e o tempo de retorno energético.
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2. E FEITO F OTOVOLTAICO
Para compreendermos melhor o funcionamento
da célula fotovoltaica, devemos entender o conceito de
eficiência da conversão (quociente entre a irradiação
solar que incide na área da célula e a energia eléctrica
que é produzida). Melhorando a eficiência da célula
fotovoltaica, corresponde a afirmar que os sistemas
fotovoltaicos podem tornar-se cada vez mais
competitivos relativamente à produção de energia
eléctrica com combustíveis fósseis.
As células fotovoltaicas convertem a irradiação
solar em electricidade a partir de processos que se
desenvolvem ao nível atómico nos materiais de que
são constituídas.
A verdadeira compreensão deste fenómeno,
levou cerca de cem anos a esclarecer, embora o
processo de produzir corrente eléctrica em meio
contínuo tenha sido relatado desde 1839.
Durante a segunda metade do séc. XX assistiu-se
à sucessiva ultrapassagem dos principais problemas de fabrico, de um aumento de eficiência, de
tal forma que o custo deste tipo de sistema “de produção alternativa de energia” reduziu
significativamente.
Se compararmos a eficiência das primeiras células fotovoltaicas (anos 50) de 1 a 2%, com
os sistemas actuais que convertem de 8 a 20%, assim com os métodos avançados de fabrico de
módulos fotovoltaicos, podemos concluir, que em numerosas aplicações de electrificação (rural,
remota, urbana, escolar, conexão à rede) já é economicamente viável a sua utilização além do
compromisso que estabelece com o consumidor, que é o uso de uma fonte de produção de
energia não poluente.
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3. C OMPONENTES DA C ÉLULA F OTOVOLTAICA
Os principais componentes da célula fotovoltaica, também designada pilha fotovoltaica,
correspondem às camadas (em sanduíche) de materiais semicondutores onde é produzida a
corrente eléctrica.
Existem um número variado de materiais adequados para serem utilizados “como uma
pilha”, todos com vantagens e inconvenientes. Não se pode dizer actualmente, que existe um
material semicondutor “ideal”, pois a sua utilização está directamente ligada à aplicação, ao seu
custo, à eficiência e duração.
Além dos materiais semicondutores, a célula fotovoltaica apresenta dois contactos
metálicos, em lados opostos, para fechar o circuito eléctrico.
O conjunto encontra-se encapsulado entre um vidro e um fundo, essencialmente para evitar
a sua degradação com os factores atmosféricos, vento, chuva, poeira, vapor, etc., e assim manter
as condições ideais de operação por dezenas de anos.
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4. C OMPOSIÇÃO DO M ÓDULO F OTOVOLTAICO
5. T IPOS E C ÉLULAS E P ELÍCULAS F OTOVOLTAICAS
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6. E FICIÊNCIA DE C ONVERSÃO
A eficiência de conversão, ou rendimento, de uma célula fotovoltaica é definido como o
quociente entre a potência da luz que incide na superfície da célula fotovoltaica e a potência
eléctrica disponível aos seus terminais. A actual recordista mundial de eficiência de conversão
fotovoltaica é uma célula GaInP/GaInAs/Ge da Spectrolab, com 39% de eficiência. Para células de
silício, o valor máximo obtido é de 24,4%.
Tecnologia Maximo (Célula em Laboratório) Máximo (módulo) Indústria
Silício monocristalino 24,7% 22,7% 12 a 16%
Silício multicristalino 19,8% 15,3% 11 a 14%
Silício amorfo 12,7% - 5 a 8%
Selenieto de cobre e índio 18,2% 12,1% -
Telurieto de cádmio 16,0% 10,5% -
7. T EMPO DE R ETORNO E NERGÉTICO
O tempo de retorno energético para os painéis solares eléctricos típicos em condições
standard de iluminação é da ordem de 2 ou 3 anos o que significa que, atendendo a que o tempo
médio de vida de um painel solar é de pelo menos 30 anos, o painel irá produzir ao longo da sua
vida cerca de dez vezes mais energia do que aquela que foi gasta no seu fabrico.
8. E SQUEMA DE F UNCIONAMENTO DE UM S ISTEMA A UTÓNOMO F OTOVOLTAICO
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9. R ECURSO S OLAR EM P ORTUGAL .
Entre os países da UE, Portugal continental apresenta um
dos mais elevados recursos solares: 1400 a 1800 kWh/m2/ano
(Irradiação no plano horizontal).
10. T IPOLOGIAS
Sistemas autónomos/híbridos
• Electrificação de casas em locais isolados (meio rural);
• Bombagem de água (sistema directo);
• Sinalização (aeroportos, passagens de nível, etc.);
• Sistemas de telecomunicações (TV, rádio, telefone, etc.);
• Dessalinização de água do mar;
• Protecção catódica;
• Aplicações de micro-potência (rádios, calculadoras, etc.);
Sistemas ligados à rede
• Integração em edifícios
• Centrais fotovoltaicas.
11. E SPECIFICIDADES
Vantagens
• Benignos do ponto de vista ambiental;
• Modulares e sem partes móveis (sujeitas a desgaste);
• Inexistência de ruídos ou cheiros;
• Reduzida exigência de manutenção;
• Elevado ciclo de vida (20-30 anos no caso do Silício cristalino).
Inconvenientes
• Elevado custo de instalação;
• Módulos (3 a 4 €/Wp) e sistemas (6 a 12 €/Wp);
• Rendimento relativamente baixo (10-15%);
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12. E XEMPLOS DE A PLICAÇÕES
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10. Energia Fotovoltaica
13. C ONCLUSÃO
Meio século depois da primeira célula fotovoltaica moderna, a produção de energia eléctrica
por conversão da radiação solar é hoje uma promissora tecnologia, limpa e renovável, para a
produção de electricidade.
Portugal, em particular, oferece condições exemplares para a utilização da tecnologia
fotovoltaica para reduzir a sua factura energética e as suas emissões de gases de efeito de estufa
associadas à produção de electricidade utilizando combustíveis fósseis.
A utilização de electricidade solar em maior escala está ainda limitada por factores
tecnológicos mas sobretudo pelo elevado custo por unidade de energia produzida.
14. B IBLIOGRAFIA
http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_solar#Tipos_de_energia_solar
http://paginas.fe.up.pt/jornadasdeq/6asjornadas/pagina/textos_energias/solar.htm
http://www.greensolutions.pt/fotovoltaica.html
http://www.greensolutions.pt/aqs.html
http://spes.pt/pagina/index.php?option=com_content&task=view&id=68&Itemid=115
http://www.inelsacontrols.com/solar_fotovoltaica.htm
http://www.provincia.rimini.it/progetti/territorio/2004_fv/2.htm
http://www.abae.pt/ecoreporter/Conteudos/sala3/sala3_10.htm
http://www.energiasrenovaveis.com/html/energias/solar_conversao.asp
http://www.energiasrenovaveis.com/html/energias/solar_tecnologias.asp#solar_pv
http://www.naturlink.pt/canais/Artigo.asp?iArtigo=6556&iCanal=29&iSubCanal=3813&iLingua
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