células fotovoltaicas

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Nome: Gislaine Lima Marchini Universidade Federal de São Carlos - UFSCar RA: 426792 Química Inorgânica Aplicada: Profº Drº Jean Marcel R. Gallo Células Fotovoltaicas Células Fotovoltaicas Introdução Energia é essencial para o desenvolvimento da sociedade como um todo [1] . O consumo de energia no mundo cresce cerca de 2% ao ano e deverá dobrar em 30 anos se continuarem as tendências atuais. O crescimento não é uniforme: nos países industrializados é de apenas cerca de 1% ao ano, mas chega a 4% ao ano nos países em desenvolvimento que estão crescendo rapidamente e que vão dominar o cenário mundial no que se refere ao consumo de energia dentro de 15 anos. As principais consequências desta evolução são o aumento do consumo de combustíveis fósseis e a resultante poluição ambiental em todos os níveis. Dos recursos de energia renovável disponíveis temos as células solares fotovoltaicas. Os sistemas fotovoltaicos são capazes de gerar energia elétrica através das chamadas células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas são feitas de materiais capazes de transformar a radiação solar diretamente em energia elétrica através do chamado “efeito fotovoltaico”. Hoje, o material mais difundido para este uso é o silício, que existe em abundância em nosso planeta. Energia não renovável As fontes de energia não renováveis são aquelas que se encontram na natureza em quantidades limitadas e uma vez esgotadas, as reservas não podem ser regeneradas. Consideram-se fontes de energia não renováveis os combustíveis fósseis (carvão, petróleo bruto e gás natural) e o urânio [2] , que é a matéria- prima necessária para obter a energia resultante dos processos de fissão ou fusão nuclear. Todas estas fontes de energia têm reservas finitas e a sua distribuição geográfica não é homogénea, ao contrário das fontes de energia renováveis, originadas graças ao fluxo contínuo de energia proveniente da natureza. São também consideradas como energias sujas, já que sua utilização é causa direta de importantes danos para o meio ambiente e para a sociedade: Destruição de ecossistemas Danos em bosques e aquíferos Associação de diversas doenças Redução da produtividade agrícola Corrosão de edificações, monumentos e infraestruturas Deterioração da camada de ozônio ou chuva ácida. Cerca de 85% do enxofre lançado na atmosfera (principal responsável pela poluição urbana e pela chuva ácida) origina-se na queima de carvão e petróleo, bem como 75% das emissões de carbono (responsável pelo "efeito estufa"). Atualmente, um dos problemas ambientais mais graves, resultante de um sistema energético que privilegia o uso de fontes de energia não renováveis é o denominado efeito estufa. As instalações que utilizam combustíveis fósseis não produzem apenas energia, mas também grandes quantidades de vapor de água e de dióxido de carbono (CO2), gás que é um dos principais responsáveis pelo efeito estufa do planeta. Outros gases nocivos como o óxido de nitrogênio (NOx), de enxofre (SO2) e os hidrocarbonetos (HC) são emitidos para a atmosfera. Estes gases provocam uma série de modificações ambientais graves, cuja concentração na atmosfera causa a poluição das cidades, a formação de chuvas ácidas e aumento do efeito estufa do planeta e concentrações elevadas de ozônio troposférico. O rápido crescimento observado para o consumo energético, com todos os problemas inerentes ao atual modelo energético baseado nas energias não renováveis, faz com que seja imprescindível propor um novo modelo baseado na eficiência, na poupança energética e na implementação das energias renováveis. É importante ter em conta que os impactos ambientais, resultantes do modelo vigente, têm um grande custo socioeconômico para a sociedade. Em virtude desse modelo energético insustentável, o homem está sujeito aos impactos negativos da deterioração do meio ambiente.

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Trabalho resumido sobre energia renovavel e nao renovavel e celulas fotovoltaicas comuns.

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Nome: Gislaine Lima Marchini Universidade Federal de São Carlos - UFSCar RA: 426792 Química Inorgânica Aplicada: Profº Drº Jean Marcel R. Gallo

Células Fotovoltaicas

Células Fotovoltaicas

Introdução

Energia é essencial para o desenvolvimento da sociedade como um todo [1]. O consumo de energia no

mundo cresce cerca de 2% ao ano e deverá dobrar em 30 anos se continuarem as tendências atuais. O

crescimento não é uniforme: nos países industrializados é de apenas cerca de 1% ao ano, mas chega a 4%

ao ano nos países em desenvolvimento que estão crescendo rapidamente e que vão dominar o cenário

mundial no que se refere ao consumo de energia dentro de 15 anos.

As principais consequências desta evolução são o aumento do consumo de combustíveis fósseis e a

resultante poluição ambiental em todos os níveis. Dos recursos de energia renovável disponíveis temos as

células solares fotovoltaicas. Os sistemas fotovoltaicos são capazes de gerar energia elétrica através das

chamadas células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas são feitas de materiais capazes de transformar a

radiação solar diretamente em energia elétrica através do chamado “efeito fotovoltaico”. Hoje, o material mais

difundido para este uso é o silício, que existe em abundância em nosso planeta.

Energia não renovável

As fontes de energia não renováveis são aquelas que se encontram na natureza em quantidades

limitadas e uma vez esgotadas, as reservas não podem ser regeneradas. Consideram-se fontes de energia

não renováveis os combustíveis fósseis (carvão, petróleo bruto e gás natural) e o urânio [2], que é a matéria-

prima necessária para obter a energia resultante dos processos de fissão ou fusão nuclear. Todas estas

fontes de energia têm reservas finitas e a sua distribuição geográfica não é homogénea, ao contrário das

fontes de energia renováveis, originadas graças ao fluxo contínuo de energia proveniente da natureza.

São também consideradas como energias sujas, já que sua utilização é causa direta de importantes

danos para o meio ambiente e para a sociedade:

Destruição de ecossistemas

Danos em bosques e aquíferos

Associação de diversas doenças

Redução da produtividade agrícola

Corrosão de edificações, monumentos e infraestruturas

Deterioração da camada de ozônio ou chuva ácida.

Cerca de 85% do enxofre lançado na atmosfera (principal responsável pela poluição urbana e pela chuva

ácida) origina-se na queima de carvão e petróleo, bem como 75% das emissões de carbono (responsável

pelo "efeito estufa").

Atualmente, um dos problemas ambientais mais graves, resultante de um sistema energético que

privilegia o uso de fontes de energia não renováveis é o denominado efeito estufa. As instalações que utilizam

combustíveis fósseis não produzem apenas energia, mas também grandes quantidades de vapor de água e

de dióxido de carbono (CO2), gás que é um dos principais responsáveis pelo efeito estufa do planeta.

Outros gases nocivos como o óxido de nitrogênio (NOx), de enxofre (SO2) e os hidrocarbonetos (HC) são

emitidos para a atmosfera. Estes gases provocam uma série de modificações ambientais graves, cuja

concentração na atmosfera causa a poluição das cidades, a formação de chuvas ácidas e aumento do efeito

estufa do planeta e concentrações elevadas de ozônio troposférico.

O rápido crescimento observado para o consumo energético, com todos os problemas inerentes ao atual

modelo energético baseado nas energias não renováveis, faz com que seja imprescindível propor um novo

modelo baseado na eficiência, na poupança energética e na implementação das energias renováveis.

É importante ter em conta que os impactos ambientais, resultantes do modelo vigente, têm um grande

custo socioeconômico para a sociedade. Em virtude desse modelo energético insustentável, o homem está

sujeito aos impactos negativos da deterioração do meio ambiente.

Nome: Gislaine Lima Marchini Universidade Federal de São Carlos - UFSCar RA: 426792 Química Inorgânica Aplicada: Profº Drº Jean Marcel R. Gallo

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Carvão

O carvão mineral é uma rocha sedimentar com propriedades combustíveis, constituída maioritariamente

por carbono e outros compostos como enxofre, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e traços de outros elementos

vestigiais. Está na natureza como cor preta ou marrom e são variáveis em dureza e composição de carbono,

sendo que aquele que contem maior teor de carbono, é considerado mais puro. Existem quatro tipos de carvão

mineral:

Turfa < linhito < hulha < antracito

A exploração de jazidas de carvão é feita em mais de 50 países, o que demonstra a sua abundância.

Esta situação contribui, em grande parte, para que este combustível seja também o mais barato.

Inicialmente, o carvão era utilizado em todos os processos industriais e serviços domésticos.

Foi o primeiro combustível fóssil a ser utilizado para a produção de energia elétrica nas centrais térmicas.

Hoje estima-se que, com o atual ritmo de consumo, as reservas disponíveis durem até 119 anos, segundo

registros

O principal problema da utilização do carvão relaciona-se com os poluentes resultantes da sua

combustão. De fato, a sua queima, conduz à formação de cinzas, dióxido de carbono, dióxidos de enxofre e

óxidos de nitrogênio, em maiores quantidades do que os produzidos na combustão dos restantes

combustíveis fósseis.

Petróleo

O petróleo é um óleo mineral, de cor escura e cheiro forte, constituído basicamente por hidrocarbonetos.

O refino do petróleo bruto consiste na sua separação em diversos componentes e permite obter os mais

variados combustíveis e matérias-primas.

Figura 1 - Esquema de torre de fracionamento de petróleo [3].

As primeiras frações do refino (mais leves) são os gases butano e o propano, que são separados e

comercializados individualmente. No entanto, podem também ser misturados com o etano constituindo os

gases de petróleo liquefeitos (GPL).

Teor de Carbono - +

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Um dos principais objetivos das refinarias é obter a maior quantidade possível de gasolina. Esta é a

fração mais utilizada do petróleo (70%) e a mais rentável, tanto para a indústria de refino como para o Estado.

Em virtude deste dado, as refinarias têm tentado desenvolver os processos de transformação das frações

mais pesadas do petróleo em gasolina.

Estima-se que com o atual ritmo de consumo, as reservas de petróleo se esgotem nos próximos 20 ou

30 anos.

O petróleo é um recurso de energia não renovável muito nocivo para o ambiente em todas as fases do

consumo:

─ Durante a extração: possibilidade de derrame no local da prospecção;

─ Durante o transporte: utilização de infraestruturas obsoletas;

─ No refino: perigo de contaminação através dos resíduos das refinarias;

─ Momento da combustão: emissão de gases de efeito estufa para a atmosfera.

Gás Natural

O gás natural é um combustível fóssil com origem muito semelhante à do petróleo bruto, formando-se

durante milhões de anos a partir dos sedimentos de animais e plantas. Tal como o petróleo, jazidas

subterrâneas são encontradas o gás é extraído. A principal diferença se dá com a possibilidade de ser usado

da forma como é extraído na origem, sem necessidade de refino.

O gás natural é constituído por pequenas moléculas de carbono e hidrogênio, e apresenta uma

combustão mais limpa do que qualquer outro derivado do petróleo (comparando-se apenas com recursos não

renováveis. A combustão do gás natural produz dióxido de carbono e uma quantidade de óxidos de nitrogênio

muito inferior que a combustão da gasolina.

Energia Nuclear

A energia nuclear é produzida através da transformação de núcleos atômicos que liberam grandes

quantidades de energia. Essa energia que pode ser utilizada para produzir eletricidade. A fissão nuclear utiliza

o urânio, um mineral presente na Terra em quantidades finitas, e consiste na partição de um núcleo pesado

em dois núcleos de massa aproximadamente iguais.

Ainda que a quantidade de energia produzida através da fissão nuclear seja significativa, este processo

apresenta problemas de difícil resolução:

Perigo de explosão nuclear e fugas radioativas;

Produção de resíduos radioativos;

Contaminação radioativa.

Outra alternativa seria a energia nuclear produzida através do processo de fusão nuclear, que consiste

na união de dois núcleos leves para formar outro mais pesado e com menor conteúdo energético, através do

qual se liberam também grandes quantidades de energia. Este processo envolve átomos leves, como os de

deutério, trítio ou hidrogénio, que são substâncias muito abundantes na natureza.

O impacto ambiental resultante do processo de fusão é muito menor, quando comparado com o da

energia nuclear produzida por fissão. É uma energia considerada limpa, mas a fonte de urânio é bem escassa

e o processo como um todo é muito caro.

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Energia renovável

Energia renovável é aquela originária de fontes naturais que possuem a capacidade de regeneração

através de fluxos contínuos de energia. Podem ser repostas a curto ou médio prazo, espontaneamente ou

por intervenção humana. A maioria destas fontes já são utilizadas, sendo que algumas das tecnologias

pesquisadas se encontram desenvolvidas e difusas no mundo, mas outras técnicas ainda precisam ser

testadas continuamente para que sua aplicação seja viável tanto energética quanto economicamente.

Sua importância tem aumentado devido à instabilidade de recursos não renováveis quanto ao tempo

disponível para consumo no mundo. Desde então são estudadas alternativas de redução destes recursos

finitos para aumento do seu uso e extração, enquanto que as fontes de energia renováveis supririam outras

demandas energéticas.

Seria hipocrisia dizer que as alternativas energéticas de fontes renováveis não geram nenhum impacto

ao meio ambiente, mas quando destacados ao lado dos impactos provocados pelos combustíveis não

renováveis, nota-se a grande diferença e vantagem de seu uso.

Existem muitas fontes de energia de fontes renováveis:

O Sol: energia solar

O vento: energia eólica

Os rios e correntes de água doce: energia hidráulica

Os mares e oceanos: energia maremotriz

As ondas: energia das ondas

A matéria orgânica: biomassa, biocombustível, biogás

O calor da Terra: energia geotérmica

Água salobra: energia azul

O hidrogênio: energia do hidrogênio

Energia da fissão

Energia da fusão

Neste trabalho abordaremos os seis tipos[4] mais comuns, suas vantagens e desvantagens.

─ Energia hídrica;

─ Energia eólica;

─ Energia geotérmica;

─ Energia marinha;

─ Energia da biomassa;

─ Energia Solar.

Energia Hídrica

A energia hidroelétrica é a energia que se produz em barragens construídas em cursos de água. Essa

energia parte da precipitação que forma os rios que são represados, e a água desses rios faz girar turbinas

que produzem energia elétrica.

Figura 2 – Esquema de uma usina hidroelétrica [5].

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Figura 3 – Esquema de funcionamento de uma usina hidroelétrica [5].

O princípio consiste em transformar a energia cinética das quedas de águas em energia elétrica. A água

armazenada num reservatório (nível mais alto), gira a turbina. A turbina está ligada a um gerador, que

transforma a energia da turbina em elétrica, direcionando a energia para a casa dos consumidores.

Existe ainda o artificio de transpor grandes rios para a construção de hidroelétricas, como o rio São

Francisco. O problema de transposição ou da construção de barragens, é que geralmente o curso do rio pode

ser redirecionado, alargado e áreas secas são alagadas, o que prejudica fauna, flora e população ribeira.

Tabela 1 - Vantagens e desvantagens da energia hídrica [6].

Energia Eólica

Energia eólica é a transformação da energia do vento em energia útil, tal como na utilização de

aerogeradores para produzir eletricidade, moinhos de vento para produzir energia mecânica ou velas para

impulsionar veleiros. A energia eólica, enquanto alternativa aos combustíveis fósseis, é renovável, está

permanentemente disponível, pode ser produzida em qualquer região, é limpa, não produz gases de efeito

de estufa durante a produção e requer menos terreno. O impacto ambiental é geralmente menos problemático

do que o de outras fontes de energia.

A energia eólica tem sido aproveitada desde a antiguidade para mover os barcos impulsionados por velas

ou para fazer funcionar a engrenagem de moinhos, ao mover as suas pás. Nos moinhos de vento a energia

eólica era transformada em energia mecânica, utilizada na moagem de grãos ou para bombear água.

James Blyth, um engenheiro escocês, construiu uma turbina com pás de tecido no jardim e aproveitou a

eletricidade produzida para carregar acumuladores que usava para iluminar a sua casa. Charles Francis

Brush, inventor americano, produziu eletricidade através de um gerador alimentado a energia eólica, que

fornecia eletricidade à sua residência e laboratório [7].

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Figura 4 - Turbina eólica de Charles Francis Brush - 1888 [8].

Hoje a forma mais comum de produção de energia eólica em energia elétrica é por meio de

aerogeradores, que está integrado ao eixo de um cata-vento.

Figura 5 - Parque eólico próximo a Caen, França [9].

O vento gira uma hélice gigante que funciona da mesma forma que um moinho. Existem dois tipos: De

eixo horizontal e vertical. O mais utilizado é o horizontal porque seu rendimento aerodinâmico é superior ao

de eixo vertical, e exige menor esforço mecânico, porém é mais caro. A instalação de aerogeradores pode

ser tanto em terra quanto no mar, onde o vento é mais forte e constante do que em terra.

Horizontal

Vertical

Figura 6 - Parque eólico no Texas, Estados Unidos (esquerda) e um aerogerador vertical (direita.

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Tabela 2 - Vantagens e desvantagens da energia eólica [6].

Energia Geotérmica

Consiste em obter energia através do calor da Terra, abaixo da superfície do planeta em pontos mais e

menos acessíveis dependendo da região. Foi e ainda é utilizado como termas. Na medicina, usavam a água

quente para tratar doenças dos olhos e pele. Na agricultura, usavam em estufas para secagem dos alimentos

e pasteurização do leite. No lazer, foi e ainda é usado como fonte termal para relaxar. Para sobrevivência

(relacionado com regiões muito frias) as fontes quentes ajudam no cozimento dos alimentos e fornece calor.

Na constituição do nosso planeta, é conhecido que com o aumento da profundidade a temperatura

aumenta, porém, existem zonas chamadas de intrusões magmáticas que são regiões onde as rochas

aquecem-se em pontos não tão profundos, com elevada temperatura e acessibilidade.

Existe ainda o aproveito de regiões com agua quente, como gêiseres (em furnas) e lençóis freáticos com

reservatórios de agua quente entre 50 a 150º, e vapores secos com temperatura superior a 200ºC. A maior

forma de energia geotérmica é o uso das águas termais, que se formam em áreas onde a temperatura interna

do terreno é muito alta, o que resulta no superaquecimento da água, que emerge na superfície em forma de

fontes, minas e pequenos lagos de água quente.

Uma usina geotérmica funciona através da drenagem da água quente existente no subsolo, geralmente

aproveitada em forma de vapor, como mostra a Figura 8 abaixo.

Figura 8 - Esquema de funcionamento de uma usina geotérmica [11].

Figura 7 - Geiser em Furnas - Minas Gerais [10].

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A emergência desse vapor ocorre em uma pressão tão elevada que ele emerge na superfície em alta

velocidade e com grande força, o suficiente para fazer girar a turbina onde se liga o gerador responsável por

transformar o giro da turbina em eletricidade.

Tabela 3 - Vantagens e desvantagens da energia geotérmica [6].

Energia Marinha ou Marítima

A energia marinha é toda energia realizada por movimentos das correntes marítimas, pelas ondas e

pelas marés. Existem três tipos principais de energia marinha: Energia Maremotriz, Energia das Correntes

Marítimas, Energia das Ondas.

Energia Maremotriz: usa a energia cinética das marés para a transformação em energia elétrica, através de

turbinas submersas. O processo consiste na passagem da maré por uma tubulação submersa. Nesta

tubulação existe um conjunto de hélices acopladas a um gerador, que transforma a energia proveniente da

maré em energia elétrica. Na França, em La Rance, existe uma barragem maremotriz que fornece energia

elétrica para a região.

Figura 9 - Barragem em La Rance, na França [12].

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Figura 11 - sistema de energia das ondas [14].

Energia das Correntes Marítimas: é uma forma de energia marinha obtida através do aproveitamento da

energia cinética das correntes marítimas, como a corrente do Golfo. Não está em funcionamento, mas estudos

prévios foram feitos no Reino Unido, Canada e Japão.

Figura 10 - Esquema da energia das correntes marítimas [13].

Energia das Ondas: é a transformação da energia contida nas ondas marítimas em energia elétrica. Este

tipo de tecnologia, embora não se encontre disponível de forma comercial, tem sido desenvolvida em Portugal,

Reino Unido, Noruega e Japão, mas ainda não há uma previsão de da instalação para seu uso de forma

efetiva.

Tabela 4 - Vantagens e desvantagens da energia marítima.

Energia da Biomassa

O termo biomassa abrange os derivados recentes de organismos vivos empregados como combustíveis

ou para a sua produção. Do ponto de vista da ecologia, biomassa é a quantia total de matéria viva presente

num ecossistema ou numa população animal ou vegetal. Os dois conceitos estão interligados, mas são

diferentes.

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Na definição de biomassa, para a geração de energia não participa os combustíveis fósseis, apesar

destes também sejam derivados da vida vegetal (carvão mineral) ou animal (petróleo e gás natural), mas são

resultado de várias transformações que requerem milhões de anos para acontecerem. A biomassa pode ser

considerada um recurso natural renovável, contrário aos combustíveis fosseis, pois, sua transformação é

muito mais acelerada.

A biomassa é utilizada na produção de energia a partir de processos como a combustão de material

orgânico que se encontra presente num ecossistema, porém nem toda a produção primária passa a

incrementar a biomassa vegetal do ecossistema. Parte dessa energia acumulada é empregada pelo

ecossistema para sua própria manutenção.

Existem quatro formas de transformar a biomassa em energia [15]:

1. Pirólise: a biomassa é exposta a altas temperaturas sem a presença de oxigênio, com o objetivo

de acelerar a decomposição da mesma. O que sobra da decomposição é uma mistura de gases, líquidos

(óleos vegetais) e sólidos (carvão vegetal).

2. Gaseificação: a biomassa também é aquecida na ausência do oxigênio, originando como produto

final um gás inflamável. Esse gás ainda pode ser filtrado, visando à remoção de alguns componentes químicos

residuais. A diferença básica em relação à pirólise é o fato de a gaseificação exigir menor temperatura e

resultar apenas em gás.

3. Combustão: aqui a queima da biomassa é realizada a altas temperaturas na presença abundante

de oxigênio, produzindo vapor a alta pressão. Esse vapor geralmente é usado em caldeiras ou para mover

turbinas. É uma das formas mais comuns hoje em dia e sua eficiência energética fica na faixa de 20 a 25%.

4. Co-combustão: essa prática propõe a substituição de parte do carvão mineral utilizado em usinas

termoelétricas por biomassa. Assim há uma redução significativa da emissão de poluentes. A faixa de

desempenho da biomassa encontra-se entre 30 e 37%, sendo então uma escolha bem atrativa e econômica

atualmente.

Figura 12 - Esquema de geração de energia através da queima de biomassa (bagaço de cana)[16].

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Figura 13 - Outras formas de conversão de biomassa em produtos de valor energético.

Tabela 5 - Vantagens e desvantagens dos recursos de biomassa.

Energia Solar

A Energia solar é um termo que se refere à energia proveniente da luz e do calor do Sol. É utilizada por

meio de diferentes tecnologias e está em constante evolução, tendo o aquecimento solar, a energia solar

fotovoltaica e a energia heliotérmica, como os mais importantes.

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Aquecimento solar: coleta calor através de placas solares, que transferem o calor para a água que circula

na parte interna da tubulação. A água é conservada para o consumo através do reservatório térmico e então

a água fria reabastece o reservatório. Existe um respiro para não aumentar muito a pressão na tubulação. A

circulação da água, neste esquema, se dá de forma natural sem o uso de eletricidade para condução.

Energia heliotérmica: consiste transformar a irradiação solar direta em energia térmica e subsequentemente

em energia elétrica, através da concentração dos raios solares diretos. É conhecido como CSP (Concentrating

Solar Power). Diferentemente de um aquecedor, que pode ser instalado em uma casa, a energia heliotérmica

é construída sobre um conceito de usina de energia, pois ocupam grandes espaços. O funcionamento é

simples e consiste na coleta de raios solares, com a ajuda de um espelho para concentrá-los num único ponto.

O calor aquece um líquido (fluido térmico) que armazena o calor. O líquido então aquece a água, que gera

vapor. O vapor gerado movimenta uma turbina e aciona um gerador, que produz energia elétrica.

Existem quatro tipos de coletores ou receptores: calha cilindro parabólico, coletor linear Fresnel, torre solar e

discos parabólicos.

Figura 14 - Esquema de aquecimento solar em residências [17].

Figura 15 - Esquema de funcionamento de energia heliotérmica [18].

Figura 16 - Tipos de energia heliotérmica [19].

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Energia fotovoltaica: é, de novo, a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade, mas

através do efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico consiste na transformação de energia luminosa incidente

sobre materiais semicondutores em eletricidade.

As células solares, ou fotovoltaicas, consistem basicamente de duas camadas de material semicondutor, um

tipo p e outro tipo n. Silício é largamente usado como material semicondutor. Os materiais semicondutores se

caracterizam pela presença de bandas de valência (com a presença de elétrons) e banda de condução

(totalmente vazia).

Figura 17 - Semicondutores tipo n e tipo p.

─ Os semicondutores do tipo “n” são aqueles que introduzem um novo nível de energia mais próximo

ao nível mais baixo de energia desocupado (LUMO). O silício possui quatro elétrons de valência, necessitando

de mais quatro átomos vizinhos para formar uma ligação. Inserindo um elemento da tabela periódica que

contenha 5 elétrons de valência (como o fosforo ou arsênio), o quinto elétron fica fracamente ligado ao átomo.

─ Em semicondutores do Tipo “p”, o novo nível de energia é introduzido próximo ao mais alto nível de

energia ocupado (HOMO). Na figura 17, Ed é o nível de energia doador, Ea é o nível de energia aceitador,

Ev é o mais alto nível de energia ocupado na banda de valência e Ec é o mais baixo nível de energia

desocupado. Inserindo em elemento que contenha 3 elétrons de valência, ficará faltando um elétron no átomo.

Figura 18 - Esquema de uma célula solar fotovoltaica [20].

A migração dos elétrons não ocorre de maneira indefinida, porque tem campo elétrico na área de junção

que impede que os elétrons continuem a fluir. Se ligarmos as duas camadas externamente, podemos

aproveitar a corrente elétrica que se forma na passagem dos elétrons de uma camada para outra.

A junção “pn” acontece quando o semicondutor puro (de silício) é dopado com algum outro elemento (por

exemplo com boro e fósforo). Quando há essa junção, os elétrons livres do lado “n” migram para o lado “p”

que contem buracos. Esses elétrons são capturados e vão se acumulando no lado “p”, deixando-o carregado

negativamente. Consequentemente o lado “n” fica carregado positivamente. Quando a junção “pn” é exposta

a fótons com energia maior que o GAP do semicondutor, ocorrem os chamados elétrons-lacuna. Se isso

acontece em regiões onde o campo elétrico é zero, é gerado corrente através da junção. Esse deslocamento

de cargas é chamado de efeito fotovoltaico.

Existem 3 tipos principais de células solares: Células monocristalinas, policristalinas e de silício amorfo. Todas

estas são células fotovoltaicas rígidas.

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Células Fotovoltaicas

─ Células monocristalinas: representa a primeira geração, com rendimento elevado, porém sua

produção é complexa e cara. Tem alto rigor de controle. Este material é desoxidado em grandes fornos,

purificado e solidificado, atingindo um grau de pureza em 98 e 99%. O silício, para funcionar como células

fotovoltaicas, necessita de outros dispositivos semicondutores e de um grau de pureza maior devendo chegar

na faixa de 99,9999%, com baixa densidade de defeitos na rede.

O processo consiste em fundir o Silício com pequena quantidade de dopante do tipo p. Extrai-se na forma

de um cilindro (rigor no controle da temperatura e orientação do cristal). O Cilindro é cortado em fatias finas

(300 mm) e então é introduzido um dopante tipo n pra obter a junção, por difusão: as fatias de silício são

expostas a vapor de fósforo em um forno com temperatura entre 800 a 1000ºC. A eficiência é da faixa de 15%

a 18%.

─ Células policristalinas: são mais baratas que as de silício monocristalino por exigirem um processo de

preparação das células menos rigoroso. A eficiência, no entanto, cai um pouco em comparação as células de

silício monocristalino.

A técnica de fabricação é a mesma da célula monocristalina, mas com menos rigor aos controles. Pode

ser preparada pelo corte de um lingote, fitas ou depositando um filme no substrato (por transporte de vapor

ou imersão). O silício policristalino pode ser unicamente preparado usando transporte de vapor ou imersão

de um filme num substrato. A eficiência máxima é de 12,5%.

Figura 20 - Célula de silício policristalina.

─ Silício amorfo: apresenta alto grau de desordem na estrutura dos átomos. Tem se mostrado com

grande vantagem nas propriedades elétricas e de produção em relação as demais. Apresenta absorção da

radiação na faixa do visível, pode ser fabricado em diversos tipos de substratos, e baixo custo e consumo de

energia. Apresenta duas desvantagens: baixa eficiência de conversão em relação as outras duas e

degradação logo nos primeiros meses de operação.

Figura 21 - Célula de silício amorfo.

Figura 19 - Célula de silício monocristalina

Nome: Gislaine Lima Marchini Universidade Federal de São Carlos - UFSCar RA: 426792 Química Inorgânica Aplicada: Profº Drº Jean Marcel R. Gallo

Células Fotovoltaicas

A Célula solar flexível é um dispositivo promissor na pesquisa e desenvolvimento. É vantajoso pela

leveza, baixo custo e processo de fabricação simples. A mais produzida é a CIGS, filme fino policristalino de

Cobre (Índio, Gálio) Selênio2 utilizando polímero como substrato de alto grau de flexibilidade (ex: poliamida).

Sua eficiência de conversão gira em torno de 20%.

A DSSC com eletrodos flexíveis é uma célula solar sensibilizada por corante ou célula de Graetzel,

que consiste na fabricação sobre substratos flexíveis como em um processo de impressão comum. É de fácil

fabricação e tem boa relação custo-eficiência. Para aplicação em dispositivos portáteis, as células DSSC

flexíveis tem ganhado ainda mais atenção. São leves, finas, resistentes e duráveis. Seus substratos

geralmente são o Polietileno Naftalato, poli (3,4-etilenodioxitiofeno) poliestireno sulfonado (PEDOT:PSS). O

DSSC consiste em uma camada de estanho dopado com Índio (ITO) e TiO2 depositado no substrato

PEN/PEDOT:PSS por serigrafia. Os problemas associados a esta célula solar é que o eletrólito é

extremamente corrosivo, o que diminui o tempo de vida da célula. É translúcido, ou seja, passa pouca luz. A

Tensão da célula é em torno de 0,7V e o catodo é recoberto com platina, que é um material muito caro.

Aplicações

1) Uso dessas células solares em satélites: A energia solar foi primeiramente empregada em aplicações

espaciais devido à relativa falta de alternativas para geração e armazenamento de energia.

2) Painéis solares para geração de energia em casas e edifícios: a redução do peso dos painéis solares

através da utilização de filmes finos e flexíveis poderá gerar uma aplicação como revestimento em

janelas

3) Tintas fotovoltaicas para automóveis: conversão da energia solar para alimentação da parte elétrica

e recarregar a bateria.

4) Tendas solares, capas de telefone, e até telefones e dispositivos móveis

Impacto Ambiental

A célula fotovoltaica solar é considerada uma forma de produção de energia limpa, ou seja, não gera

resíduo na produção de energia elétrica.

Conclusões

As energias renováveis são alternativas valiosas para sustentabilidade não só da demanda energética

mundial, mas também do planeta e seus recursos.

O cenário descrito nesta apresentação representa oportunidade de criar demanda e escala necessários

para desenvolver a energia solar no país, atraindo empreendedores da cadeia de fornecedores e geradores

de energia solar.

Alguns desafios ainda precisam ser enfrentados: preços, mudanças estruturais (e sociais) e integração

a outros empreendimentos energéticos, como energia eólica.

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