1 Mestrando em engenharia de produção pela Universidade Metodista de Piracicaba –UNIMEP,

Santa Barbara d’ Oeste-SP. Email: wilson.teixeira93@gmail.com

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: UMA REVISÃO SISTEMÁTICA SOB A PERSPECTIVA DA SUSTENTABILIDADE

PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY: A SYSTEMATIC REVIEW UNDER THE

SUSTAINABILITY PERSPECTIVE

Wilson de Paula Teixeira¹ Resumo: Com a intensificação do desenvolvimento, o crescimento populacional e as preocupações mundiais, o aquecimento global e as mudanças climáticas, a busca pela sustentabilidade do planeta tornou-se a principal alternativa para mitigar os impactos gerados ao meio ambiente ao longo do desenvolvimento da humanidade. A energia solar é a mais abundante do mundo; o Brasil possui um grande potencial de desenvolvimento devido sua localização espacial, onde a maior parte do país constitui-se próximo a linha do equador o qual possui maior incidência de radiação solar. Diversos benefícios são apresentados neste artigo que são associados à utilização da energia solar fotovoltaica. A revisão sistemática foi realizada no banco de dados Science Direct, entre os anos de 2017 a 2019. Dentre os resultados obtidos, verificou-se que o campo da energia solar fotovoltaica é propenso de estudos, e que há uma ascendência de pesquisas voltadas para o tema, demostrando que existe interesse por parte dos pesquisadores em aprofundar suas questões de pesquisa nessa área. A ampliação do uso de sistemas fotovoltaicos dependerá fortemente de pesquisas para redução de custos, e incentivos, leis e regulamentos que visam ampliar o uso de fontes de energias renováveis corroborando para mitigação de impactos ambientais. Palavras-chave: Energia renovável, Painel solar, Módulo Fotovoltaico. Abstract: With intensified development, population growth and world concerns, global warming and climate change, the pursuit of the planet's sustainability has become the main alternative to mitigate the impacts on the environment throughout the development of humanity. Solar energy is the most abundant in the world; Brazil has a great potential for development due to its spatial location, where most of the country is close to the equator which has the highest incidence of solar radiation. Several benefits are presented in this article that are associated with the use of photovoltaic solar energy. The systematic review was performed in the Science Direct database, from 2017 to 2019. Among the results obtained, it was found that the field of photovoltaic solar energy is prone to studies, and that there is an ancestry of research focused on the showing that there is interest on the part of researchers to deepen their research questions in this area. Increasing the use of photovoltaic systems will depend heavily on cost reduction research, and incentives, laws and regulations aimed at increasing the use of renewable energy sources to corroborate environmental impacts. Keywords: Renewable energy, Solar panel, Photovoltaic module.

2

INTRODUÇÃO

Energia e água são vias para a vida moderna e proporcionam sustentação necessária

para o desenvolvimento econômico (FOSTER et al., 2009; ROMEIRO, 2012). A

Globalização torna-se cada vez mais dependente dos recursos naturais para uma

infinidade de atividades.

A energia, nos seus mais variados aspectos, é indispensável à sobrevivência e

manutenção da vida humana. Em relação aos diversos tipos de energia, a eletricidade

se tornou uma das formas mais versáteis e importantes, passando a ser recurso

indispensável para o desenvolvimento socioeconômico de muitas nações (ANEEL,

2005, IEA, 2019).

O modelo brasileiro está voltado para a geração de energia centralizada, onde grandes

usinas elétricas produzem energia, com predominância de usinas hidrelétricas

respondendo por 65% da energia gerada no Brasil (CASARO e MARTINS, 2010);

sendo esta energia transportada em longas linhas de transmissão e distribuída aos

centros de consumo, e apesar de existir interligação da rede em todos os Estados, não

abrange todas as regiões e localidades do país (SHAYANI et al., 2006).

A Figura 1 mostra a destruição da matriz energética brasileira, sendo 61,95% hídrica,

26,92% termoelétrica, 6,86% eólica, 1,31% nuclear e 0,02% fotovoltaica.

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Figura 1: Matriz Energética Brasileira

Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica (2018).

O alto investimento envolvendo construções de linhas de transmissão e o baixo retorno

restringem o acesso de áreas remotas ao fornecimento de energia elétrica (SEBRAE,

2018).

O sol pode ser considerado uma fonte inesgotável de energia, fornecendo para o

Planeta Terra em uma hora (4.3 x 1020 J), uma quantidade de energia maior do que

consumimos em um ano inteiro (4.1 x 1020 J) (FOSTER; GHASSEMI; COTA, 2009;

MACHADO; MIRANDA, 2014). O Brasil exibe um alto índice médio anual de radiação

solar em torno de 6 a 24MJ/m2.dia (Mega joule de energia por metro quadrado por dia)

em algumas regiões e possui insolação média anual diária de 3 a 10 horas (SILVA,

2015; CRESESB, 2018).

Atualmente, com as aplicações tecnológicas disponíveis, a geração de energia elétrica

a partir da radiação solar pode ser obtida pelo efeito fotovoltaico (FV) ou pela geração

de energia heliotérmica (ESPOSITO e FUCHS, 2013).

Apesar do alto potencial dessa fonte de energia, a geração de energia por células

solares ainda é muito baixa, representando menos de 1% do total de energia produzida

no país. Esforços devem ser concentrados em pesquisas de geração e distribuição de

4

energias limpas, focando no desenvolvimento sustentável do planeta e na mitigação de

impactos ambientais, reduzindo o uso de combustíveis fósseis e melhorando a

qualidade de vida.

1. REVISÃO DA LITERATURA

1.1 Energia

A energia é uma grandeza escalar, e está associada à capacidade que um corpo tem

de realizar trabalho. Existem diversas formas de geração e uso da energia: cinética,

potencial gravitacional, térmica, elástica, mecânica e afim; e normalmente está

associada à interpretação de movimentos, quanto maior a quantidade de movimento

maior a quantidade de energia associado a ele (CIAMPONI, 2015).

A energia nem sempre pode ser utilizada diretamente em sua forma primaria de seu

objetivo final, havendo então a necessidade de conversão, em que as principais formas

básicas de conversão de energia são: térmica por radiação, química, nuclear, térmica

pela energia interna, mecânica e elétrica (MMA, 2019).

Nesses processos ocorrem algumas perdas associadas à dissipação por calor, atrito,

efeitos sonoros e afins. As conversões de energias obedecem a duas leis fundamentais

da física: a lei da conservação de energia, ou primeira lei da termodinâmica; e

dissipação de energia ou segunda lei da termodinâmica (EINSTEIN, 1936).

A energia elétrica pode ser obtida por diferentes meios, sendo os principais um dos

processos de conversão por meio da energia térmica (por radiação), utilizando placas

de captação de energia solar (fotovoltaicas), pela transformação da energia mecânica,

podendo ser utilizado turbinas a vapor, hidráulicas e eólicas e também pelas reações

químicas (MMA, 2019).

1.2 Energia Solar

A energia solar provém da irradiação solar, sendo utilizada por diferentes meios de

tecnologia que encontram-se em constante evolução, como exemplos, o aquecimento

solar, a energia solar fotovoltaica, a energia heliotérmica, a arquitetura solar e a

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fotossíntese artificial. Existem duas formas principais para se transformar energia solar

em energia elétrica a energia fotovoltaica e a energia térmica (PINTO et al., 2015).

O fluxo de energia solar varia com a latitude, a radiação solar aumenta à medida que

isso acontece, a latitude, dependendo do ângulo de incidência da luz solar, tempo e

hora do dia e estação do ano (LECHUGA, 2011; WASFI, 2011).

A energia solar térmica ou fototérmica é aquela que em que um corpo tem a

capacidade de absorver e armazenar em si mesmo energia em forma de calor; isso é

possível por meio de coletores que captam energia solar e a utilizam para aquecimento

de fluidos (CIAMPONI, 2015).

Na energia fotovoltaica a conversão de energia solar em elétrica é feita por meio da

radiação incidente solar sobre determinados materiais, em especial aos

semicondutores, como o silício que possui característica de gerar diferencial de

potencial (ddp) entre suas extremidades, devidos aos efeitos termoelétricos; e o efeito

fotovoltaico no qual os fótons existentes na luz solar são convertidos em energia

elétrica em células solares (CIAMPONI, 2015). Para se ter um uso eficiente desse

sistema é necessário um conjunto de placas solares, baterias e, se este não for

interligado a rede de energia (off-grid), um inversor de frequência e sistema de proteção

contra curto-circuito (MME, 2008).

2. MATERIAL E MÉTODO

A revisão sistemática é uma revisão estruturada com o intuito de responder a uma

pergunta específica e que utiliza métodos determinados e sistemáticos para identificar,

selecionar e avaliar criticamente os estudos, e para coletar e analisar os dados destes

estudos incluídos na revisão (DONATO e DONATO, 2019).

A primeira fase para uma revisão sistemática é delimitar o foco do estudo, para se que

realize uma busca criteriosa na literatura sobre os estudos relacionados em questão,

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para os quais será realizada a sistematização das informações que subsidiam a

resposta ao problema da pesquisa (RAMOS et al., 2017).

O tema de interesse da presente revisão sistemática trata dos benefícios do uso da

energia solar fotovoltaica. A questão na qual essa revisão se centraliza é: Como os

benefícios energia solar fotovoltaica são abordados na literatura científica?

A base de dados de busca utilizou-se o portal Science Direct –. O banco de dados

Science Direct possui características bem específicas que foram relevantes para sua

seleção. Possuindo mais de 250.000 artigos de acesso livre de mais de 2.960 Jornais

Internacionais; 48.300 Livros.

A busca no banco de dados abrangeu os anos de 2017 a 2019. Como palavra-chave

utilizou-se os termos “benefícios”, “energia solar fotovoltaica” “fotovoltaico” no idioma

inglês. A busca realizada com tal palavra-chave ocorreu em: títulos, resumo (abstract),

palavra-chave (keywords).

O objetivo desta da etapa de analise de revisão é conseguir cerca de 20 a 50 artigos

que serão utilizados para a elaboração da revisão sistemática. Para seleção dos

artigos, realizou-se a leitura do título e do abstract, após foram selecionados 24 artigos

que mais se assemelhavam ao tema que se propunha estudar.

Os 24 artigos selecionados foram estudados em profundidade. Como critérios

analisados têm-se: Objetivo da pesquisa; tipo de pesquisa (empírica ou teórica);

método de pesquisa (qualitativo quantitativo); contexto da pesquisa (estudo de caso,

revisão de literatura).

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Figura 2: Palavras-chave de estudos selecionados

Fonte: Autor (2019)

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Foram pré-selecionados 24 trabalhos após a aplicação dos critérios de avaliação. De

todos os autores, somente 10 comentam sobre os benefícios do uso da energia solar

fotovoltaica em seus textos (ZHANG et al., 2019; NWOKOCHA et al.,2018;

HERNÁNDEZ-CALLEJOA et al., 2019; LI e SUN, 2019; CHO, et al., 2017; LI et al.,

2019; NETO e ROSSI, 2019; GUO et al., 2019; KHODAYAR et al., 2019; LIU et al.,

2019).

Tabela 1: Estudos pré-selecionados e critérios de pré-avaliação

Referência Ano Tipo Idioma Pré-avaliação

Zhang et al., 2017 Artigo Inglês Alta

Nwokocha, et al., 2018 Artigo Inglês Alta

Sinke e Wim 2019 Artigo Inglês Baixa

Assane et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Hernández-Callejoa et al., 2019 Artigo Inglês Média

Seme et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Li e Sun 2019 Artigo Inglês Alta

Yong-cheol et al., 2017 Artigo Inglês Alta

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Referência Ano Tipo Idioma Pré-avaliação

Shan et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Li, et al., 2019b Artigo Inglês Alta

Neto et al., 2019 Artigo Inglês Alta

Mathews et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Guo et al., 2019 Artigo Inglês Alta

Khodayar, et al., 2019 Artigo Inglês Alta

Deng et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Garlet et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Liu et al., 2019 Artigo Inglês Alta

Coria et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Lerides et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Xie et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Tatsi et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Duwairi et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Dubey et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Jia et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Salani et al., 2019 Artigo Inglês Baixa

Fonte: Autor (2019)

Três autores fazem um panorama sobre o papel da energia solar fotovoltaica no

contexto atual e futuro nos sistemas de geração de energia elétrica (ASSANÉ et al.,

2019; HERNÁNDEZ-CALLEJOA et al., 2019; SINKE e WIM, 2019).

Dois trabalhos avaliam os efeitos inter-relacionados de fatores climáticos e

socioeconômicos nas operações do sistema de energia a fim de manter um equilíbrio

9

entre a carga e a oferta de energia solar fotovoltaica ligada à rede de transmissão

(ASSANÉ et al., 2019; KHODAYAR, et al., 2019).

Dois autores analisam os efeitos de sombreamento dos edifícios gerados pelos

módulos fotovoltaicos (ZHANG et al., 2017; LI, et al., 2019). Para Zhang et (2017) as

coberturas fotovoltaicas solares podem efetivamente reduzir o ganho de calor solar

através das janelas, mas podem ter um impacto negativo no desempenho da luz do dia

em ambientes fechados. Já Li et al., (2019) utiliza para analise um modelo de simulação

numérica para investigar o potencial de economia de energia dos sombreamentos

fotovoltaicos solares com vários ângulos e orientações de inclinação.

Nwokocha et al., (2018) descreve que as principais barreiras enfrentadas para

implementação efetiva dos sistemas fotovoltaicos na Nigéria está a lacuna de

conscientização e informação e de uma politica nacional. Nesta mesma linha de

pensamento Garlet et al., (2019) e Coria et al., (2019) descrevem as principais barreiras

identificadas estão a baixa qualidade dos sistemas fotovoltaicos, o alto custo do

investimento inicial, a dependência de financiamento para compra de painéis solares,

cultura de consumo, falta de conhecimento sobre tecnologia fotovoltaica, serviços

ineficientes de pós-venda, dependência de importações de painéis solares da China e

falta de políticas para incentivar a geração fotovoltaica.

Seme et al., (2019) expõe como consequência da diversidade climática e geográfica da

Eslovênia, a relação a relação entre a energia produzida e a potência máxima de pico

de um sistema fotovoltaico esta condicionada as variações de condições do clima nas

estações do ano.

Dois autores fazem uma investigação sistemas fotovoltaicos flutuantes e sistema de

aquecimento por bomba de calor assistida por energia solar fotovoltaica. Li e Sun

(2019) avalia o desempenho energético e socioeconômico de um novo sistema de

aquecimento de água de tubo de calor fotovoltaico, que envolveu a otimização de

parâmetros estruturais chave, análises de estratégia de operação, conservação de

energia e análise de benefícios ambientais. Liu et al., (2019) avalia que em comparação

com os sistemas fotovoltaicos flutuantes individuais, outra vantagem dos sistemas

10

fotovoltaicos flutuantes é a conectividade à rede e armazenamento de energia, podem

ser obtidas de forma colaborativa com os sistemas de energia de armazenamento.

Dois trabalhos explanam sobre as micro fotovoltaica (MPV) caracterizando ser esta uma

boa alternativa para reduzir as emissões de gases de efeito estufa (GEE) nas áreas

residenciais. (YONG-CHEOL et al., 2019; GUO et al., 2019).

Shan et al., (2019) estabelece um modelo de jogo evolutivo tripartido para simular e

analisar as estratégias de comportamento de empreendimentos fotovoltaicos na China,

considerando famílias pobres, governo e os fatores de influência relevantes. Além

disso, o modelo do jogo é verificado por análise empírica. Os resultados demonstram

que: (i) existem quatro estratégias evolutivas estáveis para o projeto fotovoltaico, entre

as quais a iniciativa de apoio às empresas fotovoltaicas, a participação de famílias

pobres e a menor supervisão do governo é uma escolha mais apropriada. (ii) existe um

efeito de limiar nos parâmetros relevantes, o que pode alterar as estratégias evolutivas

estáveis das empresas PV ou dos agregados familiares pobres. (iii) a disposição inicial

das empresas fotovoltaicas, das famílias pobres e do governo afeta a velocidade de

convergência da estratégia evolucionária estável. (iv) aumentar os subsídios baseados

no desempenho apropriadamente e aperfeiçoar o mecanismo de distribuição de renda

pode garantir o desenvolvimento sustentável de projetos fotovoltaicos.

No contexto do fornecimento de energia elétrica em comunidades indígenas no Brasil,

Neto et al., (2019) apresenta que além de ser o recurso mais adequado para o

abastecimento energético sustentável, está em sintonia com os aspectos sociais e

culturais, sendo uma alternativa desejada pela comunidade. O principal objetivo do

trabalho foi avaliar as contribuições que a energia fotovoltaica trouxe para as ações

educativas na aldeia. A chegada da eletricidade teve um impacto positivo geral,

permitindo que os povos indígenas associassem atividades escolares à pesca e à

agricultura, conservassem alimentos e tivessem recursos audiovisuais disponíveis para

a sala de aula e para a comunidade.

Cinco autores investigam e desenvolvem tecnologias de matérias e melhorias de

sistemas fotovoltaicos como aplicação de sistemas híbridos fotovoltaicos e coletores

11

térmicos (TATSI et al., 2019; MATHEWS et al., 2019; DUBEY et al., 2019; JIA et al.,

2019; SALANI et al., 2019). E Duwairi et al., (2019) analisa a necessidade de

resfriamento dos painéis solares fotovoltaicos para melhoria de desempenho e

desenvolve a tecnologia de superfícies corrugadas para reduzir a temperatura dos

módulos fotovoltaicos, o que leva a um aumento potência e eficiência.

Deng et al., (2019) faz uma repercussão sobre a necessidade de desenvolver

tecnologias de reciclagem de fim de vida comercialmente viáveis de painéis

fotovoltaicos para garantir um futuro sustentável e expõe fatores limitantes atuais.

A partir dos estudos selecionados é possível fazer uma descrição dos benefícios da

utilização da energia solar fotovoltaica.

3.1 Vantagens

A energia solar é a forma de energia mais abundante do mundo, o Brasil possui um

grande potencial de desenvolvimento dessa energia, devido sua localização espacial,

onde a maior parte do país constitui-se próximo a linha do equador (SILVA, 2015).

A energia solar não causa nenhuma poluição durante seu uso, como sonora por

movimentação de partes, ou emissões de gases do efeito estufa, tais como CO2 por

queima de combustíveis fósseis (ZEMAN, 2010; WORLD ENERGY COUNCIL, 2016;

ROSA e GASPARIN, 2016; YONG-CHEOL et al., 2019; GUO et al., 2019).

As centrais fotovoltaicas necessitam de manutenção mínima, com uma vida útil em

torno de 25 anos (LECHUGA, 2011; SHAN et al., 2019).

Os painéis solares estão em constante aprimoramento, tornando-se mais potentes ao

mesmo tempo em que seu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia

solar uma solução economicamente viável (SANTOS e FRANCISCO, 2012; TATSI et

12

al., 2019; MATHEWS et al., 2019; DUBEY et al., 2019; JIA et al., 2019; SALANI et al.,

2019).

A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua instalação

em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão

(AKARSLAN, 2012).

Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em

praticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de produção energética

sua utilização ajuda a diminuir a procura energética nestes e consequentemente a

perda de energia que ocorreria na transmissão (ALENCAR e TAVARES, 2017; SEME et

al., 2019).

Este tipo de energia aumenta a segurança energética e reduzir o consumo de

combustíveis de fontes convencionais em longo prazo (VIANA et al., 2015).

A utilização de fontes de energia solar fotovoltaica também tem algumas desvantagens

e inconvenientes, parte dos quais são intrínsecos e parte dos quais são devidos ao

status do desenvolvimento tecnológico.

3.2 Desvantagens

Embora a energia proveniente de fontes renováveis esteja mais frequentemente

disponível gratuitamente, tecnologias de conversão de energias renováveis muitas

vezes são de: custos elevados comparados com demais fontes de energias

(TURKENBURG, 2011; CORIA et al., 2019).

Existe variação nas quantidades de energias produzidas conforme a situação

climatérica (chuvas, neve), também durante a noite não existe produção alguma, sendo

necessário meio para o armazenamento da energia produzida durante o dia em locais

onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia,

ocorrendo também variações diárias de produção de acordo com o grau de

13

nebulosidade (OLLHOFF, 2010; RASHAD, 2014; SOUSA e FIRMINO, 2015; SEME et

al., 2019).

As possibilidades de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando

comparadas, por exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), e a

energia hidroelétrica (água) (SANTOS et al., 2010; CORIA et al., 2019).

Os painéis solares têm um rendimento baixo chegado apenas em 25%, mesmo com os

avanços tecnológicos existentes (SANTOS et al., 2010; TATSI et al., 2019; MATHEWS

et al., 2019; DUBEY et al., 2019; JIA et al., 2019; SALANI et al., 2019).

CONCLUSÃO

Foi realizado uma revisão sistemática da literatura de 24 artigos internacionais

abrangendo os anos de 2017 a 2019 que apresentassem benefícios da energia solar

fotovoltaica.

O artigo apresenta diversos benefícios do uso e aplicação de energia solar fotovoltaica,

apesar de existirem diversas vantagens ainda existem desvantagens de condições

climáticas e de cunho tecnológico.

A eletricidade produzida a partir de sistemas fotovoltaicos (PV) tem um impacto

ambiental menor do que fontes tradicionais de geração de energia. Durante o seu

funcionamento as células fotovoltaicas não precisam de combustíveis fósseis, não

emitem poluentes atmosféricos ou necessitam de água para refrigeração de seus

componentes.

As células fotovoltaicas atuais são confiáveis e economicamente viáveis em diversas

aplicações, tais como: para bombeamento de água, produção de energia em áreas

remotas, com plantas fotovoltaicas autônomas construídas em regiões não alcançadas

pelas redes de linhas de transmissões.

Além disso, a integração de sistemas fotovoltaicos em áreas residenciais, ligados a

rede de transmissão, fornece uma fonte alternativa de alimentação descentralizada, que

14

está se tornando uma alternativa atraente devido a incentivos fornecidos pelas

regulamentações nacionais, estaduais e municipais e podem tornar o investimento em

sistemas fotovoltaicos acessível e viável.

A ampliação do uso de sistemas fotovoltaicos dependerá fortemente de pesquisas para

redução de custos, melhorias de eficiência tecnológica e incentivos, leis e regulamentos

que visam ampliar o uso de fontes de energias renováveis corroborando para mitigação

de impactos ambientais.

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