Energia Solar Fotovoltaica

Energia Solar Fotovoltaica

Cadeia produtiva

A cadeia produtiva de energia elétrica a partir de células fotovoltaicas é composta de seis grandes segmentos: empresas de consultoria em sistemas solares, empresas do setor de purificação de silício, empresas produtoras de materiais semicondutores fotovoltaicos (células e módulos), empresas (produtoras e representantes) de painéis fotovoltaicos; empresas de equipamentos auxiliares e material elétrico e eletrônico (baterias, acumuladores, sensores, inversores, controladores de carga); e empresas especializadas em serviços de instalação e manutenção.

No segmento de empresas produtoras de máquinas e equipamentos, enquadram-se as empresas que desenvolvem máquinas e equipamentos para a fabricação de células solares, módulos fotovoltaicos, purificação de silício e crescimento de lingotes de silício. Também há empresas de engenharia que fornecem fábricas prontas (turnkey) para a produção de cada um dos produtos acima mencionados.

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A maior parte das empresas do setor de produção de células solares e módulos fotovoltaicos está na Ásia. A tecnologia do silício domina o mercado. Poucas empresas são verticalizadas, isto é, produzem a matéria-prima e os produtos desde a purificação do silício até a instalação dos módulos fotovoltaicos. Nesse setor, enquadram-se as diferentes tecnologias de fabricação de células solares e módulos fotovoltaicos.

Considerando que o foco central deste trabalho é a cadeia produtiva de bens de capital para a produção de energia elétrica a partir da energia solar, que a tecnologia do silício domina o mercado e que o mercado em expansão é de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, o núcleo dessa cadeia está focado na purificação do silício, fabricação de células solares, módulos fotovoltaicos e inversores. Esses produtos são os componentes básicos de um sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica.

A cadeia produtiva para os sistemas heliotérmicos de produção de eletricidade envolve uma quantidade muito grande de insumos, sendo que muitos deles já têm uma produção estabelecida no Brasil. É relativamente fácil dividir uma usina solar heliotérmica em duas partes: uma contendo os equipamentos responsáveis pelo aquecimento do fluido nos concentradores e trocadores de calor para o armazenamento térmico (que poderíamos chamar de parte solar da usina) e outra que corresponde à geração de vapor, conversão em energia mecânica na turbina e conversão em energia elétrica nos geradores (que poderíamos chamar de parte termoelétrica).

A parte termoelétrica tem exatamente os mesmos componentes de uma usina termoelétrica que queima combustíveis, com exceção da caldeira e, neste sentido, todo e qualquer bem de capital utilizado em uma termoelétrica convencional também entraria na cadeia produtiva desta parte da usina. Por esta razão, faz mais sentido elencar os componentes correspondentes apenas para a parte solar da usina.

Tecnologia dos sistemas fotovoltaicos

Um sistema fotovoltaico produz energia elétrica a partir da radiação solar captadas por células fotovoltaicas constituídas de materiais semicondutores. Considerando que as tecnologias e os processos de produção de energia, junto com os materiais e os equipamentos utilizados, são o foco central desse trabalho, o núcleo da cadeia está na produção industrial das células e dos módulos fotovoltaicos, painéis fotovoltaicos e equipamentos elétricos e eletrônicos auxiliares para a transformação, armazenamento e controle da energia gerada. Uma instalação fotovoltaica completa é composta de painéis solares fotovoltaicos, sistema de regulação da potência dos painéis (controlador de carga), sistema de armazenamento de eletricidade (baterias), inversor ou conversor de corrente (contínua em alternada), sistema de backup(opcional), sistema de regulação do sistema de backup e sistema de ligação com a rede.

Um sistema fotovoltaico é um conjunto de equipamentos construídos e integrados para, basicamente, transformar a energia solar em energia elétrica, armazenar a energia gerada e fornecer ou utilizar a energia armazenada. Quanto ao projeto de funcionamento, esses sistemas podem ser ligados à rede de energia elétrica que transferem para a rede toda a energia produzida; isolados em locais sem acesso à rede de distribuição, com a energia sendo armazenada em baterias; e híbridos, que combinam duas ou mais formas de energia – eólica e hídrica – ou mesmo um gerador convencional a diesel ou biodiesel.

Quanto aos componentes, o sistema fotovoltaico ligado à rede é constituído pelos mesmos sistemas isolados acrescidos dos elementos que estabelecem a ligação entre o gerador fotovoltaico e a rede, sua estrutura de suporte e componentes elétricos complementares.

Materiais e componentes

Silício é a matéria-prima básica mais utilizada atualmente para a composição das células fotovoltaicas. Os cristais de silício previamente purificados (99,9999% SGS) são transformados em lingotes, que são fatiados em pastilhas finas (> 200 mícrons) formando placas (wafer), que serão montadas em células usadas para a construção de módulos, que são a menor unidade dos painéis que formam o sistema, como mostra o esquema representado na Figura.

O silício puro não é bom condutor elétrico (não possui elétrons livres) assim, após a purificação, é necessário acrescentar “impurezas” que favoreçam o processo de obtenção de energia. Esse processo é conhecido como dopagem, podendo ser feito com a adição de cristais de fósforo – dopagem n – ou cristais de Boro –dopagem p. A dopagem é o processo que confere ao material semicondutor o efeito fotovoltaico, que permite a obtenção de energia. As células fotovoltaicas são constituídas basicamente por uma fina camada de um material semicondutor, entre os quais o mais comum é o silício cristalino (Si), seguido do arsenieto de gálio (GaAs), sulfeto de cádmio (CdS) e sulfeto de cobre (Cu2S). Os semicondutores feitos de silício grau solar (SGS) são os mais usados por sua estabilidade e eficiência em converter luz solar em eletricidade, mas devido ao grau de pureza exigido 6N (99,9999%), o processo de fabricação é de alto custo. A rota tecnológica mais utilizada é a mesma rota da obtenção do SGE – silício grau eletrônico. Uma rota química via silício de grau metalúrgico (90%) vem sendo buscada para a redução dos custos tanto no Brasil e como no nível mundial.

Outros materiais semicondutores vêm sendo desenvolvidos e aprimorados na Europa e nos Estados Unidos para suceder ao silício, buscando maior eficiência e custos mais competitivos no mercado das energias renováveis. Entre esses, destacam-se os chamados filmes finos cujo rendimento ainda é inferior ao silício cristalino, mas reduz a espessura das placas na ordem de cem vezes, o que garante um importante decréscimo no custo. Entre os materiais mais utilizados nos filmes finos estão o silício amorfo hidrogenado, disselenato de cobre e índio, e telureto de cádmio. O processo utiliza menos matéria-prima e elimina a etapa de corte.

Porém, cada célula fotovoltaica fornece pouca energia elétrica (em torno de 0,4 volts), o que torna essencial o agrupamento das mesmas em módulos. O número de células em um módulo depende da tensão que se deseja gerar. Essas células podem ser conectadas em paralelo ou

em série, dependendo também da tensão que se objetiva. A redução e a otimização das junções têm sido objeto de pesquisa nos sistemas atuais, pois são o ponto que resta para aproximar o sistema da sua eficiência teórica (30%).

Os módulos fotovoltaicos são a unidade básica do painel fotovoltaico núcleo de todo o sistema. Eles são compostos por células fotovoltaicas conectadas que geram tensão e corrente suficiente para a obtenção de uma energia efetiva. O número de células em um módulo depende da tensão que se deseja gerar. Essas células podem ser conectadas em paralelo ou em série, dependendo também da tensão que se objetiva.

Veja mais em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Painel_solar_fotovoltaico

Painéis.

Os tipos de painéis atualmente comercializados são das chamadas primeira e segunda gerações, ou seja, os de silício cristalino e os de filmes finos que se distinguem quanto à tecnologia utilizada na confecção das células, como descrito a seguir:

  1. As células monocristalinas são as mais usadas, embora seu rendimento não seja superior a 25%; os rendimentos reais ainda se encontram na faixa de 16 a 17%. A indústria mundial já possui grande experiência na confecção dessas células, o que garante sua confiabilidade, embora ainda seja um processo complexo e de alto custo.
  2. As células policristalinas necessitam de menor processo de preparação da matéria-prima, o que reduz o custo de fabricação, mas com perda de cerca de 10% da eficiência energética.
  3. As células de filmes finos é a tecnologia mais nova no mercado (desde 2007). Baseia-se na deposição de finas camadas de material semicondutor em placas de vidro, processo que utiliza menos matéria-prima que os demais e elimina a etapa de corte.

O rendimento ainda é inferior ao do silício cristalino, mas pesquisadores trabalham para reverter esse quadro.

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Baterias.

Os módulos fotovoltaicos são captores que se utilizam acumuladores e baterias para armazenar a energia produzida para o consumo.

As mais comuns são as tradicionais baterias chumbo–ácido especialmente projetadas para essa função. Essas baterias são preferencialmente estacionárias, isto é, permitem variações de carga entre 20 e 80 por cento da capacidade máxima por várias vezes. Além disso, devem suportar ciclos profundos (quando o carregamento é deficitário em relação ao consumo por vários dias), para o caso de dias nublados ou estações pouco ensolaradas. Por fim, a taxa de auto descarga deve ser mínima, para evitar desperdícios.

Os controladores de carga.

Objetivam otimizar a transferência de energia do painel para as baterias, evitando descargas ou recargas excessivas que podem reduzir a vida útil destas. O bom funcionamento dos controladores de carga é fundamental nos sistemas isolados, pois uma eventual falha pode gerar danos irreversíveis às baterias.

Por esse motivo, eles devem ser projetados de acordo com as especificações de tensão das baterias.

outback charge controller

Inversor.

É o componente responsável por converter a corrente direta gerada pelo painel fotovoltaico em corrente alternada a ser utilizada.

No caso dos sistemas interligados à rede elétrica, o inversor deve gerar uma tensão em sincronismo com a da rede. Existem dois tipos: conversores estáticos, que são habitualmente nomeados inversores e empregados nos sistemas fotovoltaicos, e conversores eletromecânicos, que são menos eficientes. Os conversores estáticos, ou inversores, utilizam sistemas de chaveamento para mudar a direção da corrente, fazendo a tensão variar de valores negativos a positivos. Essa variação é dependente do tipo de inversor em questão, que é classificado de acordo com a forma de onda da tensão de saída. Os principais tipos são: inversores de onda quadrada, inversores de onda retangular, inversores de onda senoidal e PWMs. As características de cada um desses tipos são variáveis e sua escolha deve ser dependente da finalidade do sistema.

Equipamentos auxiliares de controle

Conversores CC-CC: A utilização de conversores de corrente direta em corrente direta permite o exato controle de tensão e corrente aplicadas à bateria. A utilização de tensões e correntes específicas e controladas aumenta a vida útil da bateria, por isso os conversores CC-CC podem também ser usados como controladores de carga. Os conversores CC–CC também são utilizados quando se objetiva uma tensão final diferente da fornecida pela bateria. Contudo, quanto mais o conversor elevar a tensão, maior será o desperdício.

Seguidores do Ponto de Máxima Potência (MPPTs):

Esses mecanismos controlam a tensão e a corrente de entrada, de modo que a potência dos módulos fotovoltaicos seja a máxima possível. O dimensionamento de sistemas com esse tipo de mecanismo é crítico, uma vez que a tensão e a corrente possuem variações consideráveis. Sendo assim, os MPPTs são utilizados em grandes projetos, quando os benefícios justificam o aumento dos custos.

Mesmo sendo a mais nova das fontes alternativas de energia renovável, o uso do efeito fotovoltaico para gerar energia foi desenvolvido há cerca de 50 anos, sua evolução tecnológica tem sido bastante acelerada desde o final do século passado e já está entrando neste século em sua terceira geração. Desse modo, as células fotovoltaicas de silício cristalino da primeira geração, mesmo ainda detendo mais de 80% do mercado, devem sofrer uma substituição crescente pelas células de segunda geração, os filmes finos.

A segunda geração de células fotovoltaicas começou a ser desenvolvida nos anos 1970, baseada na tecnologia de deposição de filmes finos inicialmente utilizando silício amorfo hidrogenado, seguido de telureto de cádmio e compostos de cobre e índio. Esses últimos têm como maior problema sua alta toxicidade, que vem sendo contornada com a associação de material polimérico como uma cobertura, entre outras técnicas, que, além disso, confere maior eficiência a essas células. No uso comercial, apenas a partir de 2007 já detiveram em 2009 cerca de 18% do mercado mundial (EPIA Report, 2010). O grande potencial dessa nova tecnologia é seu reduzido custo em relação às células da primeira geração. As previsões são que ela domine o segmento de uso residencial nos próximos anos.

A terceira geração, ainda em fase de pesquisa em laboratórios, deve representar uma ruptura total com as primeiras gerações não só pelo abandono do silício, como também por incluir novos materiais semicondutores especialmente desenvolvidos para eliminar a necessidade de junção das células nos painéis, aumentando significativamente a eficiência de todo o sistema fotovoltaico. Essa nova geração tem uma ampla gama de inovações radicais, tais como células poliméricas, células monocristalinas e células solares de Grätzel, as chamadas células “coloridas”, que sintetizam a energia solar a partir da coloração em um processo análogo à fotossíntese.

Enfim, as tecnologias envolvidas nesse grupo são tão inovadoras quanto diversas e quando estiverem a ponto de ser comercializadas, devem ser separadas em diferentes categorias. Essa evolução, mesmo que distante, é factível, uma vez que o limite teórico do silício (33%) está próximo de ser atingido e seu custo ainda continua elevado. Chegar próximo a esse limite mantendo o baixo custo alcançado pela segunda geração é o objetivo maior das pesquisas em andamento.

O avanço contínuo das pesquisas na área da energia solar fotovoltaica aponta para uma terceira geração de células solares, incorporando melhoramentos para tornar mais viável as rotas atuais do silício e dos filmes finos em termos técnicos e econômicos, assim como novos caminhos para a obtenção de filmes finos. Para garantir essa viabilidade futura, alguns gargalos do processo produtivo devem ser superados, para que o custo final da energia gerada seja competitivo, prescindindo, dessa forma, de programas de subsídios governamentais sempre questionados nos momentos de crise.

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