energia solar -...
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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Energia Solar
Projeto FEUP 2014/2015:
Coordenador Projeto FEUP: Manuel Firmino
Armando Sousa
Equipa MIEEC G1-T3:
Supervisor: Nuno Fidalgo Monitor: Elsa Moura
Estudantes & Autores:
Carlos Pinto [email protected]
Joana Catarino [email protected]
Manuel Correia [email protected]
Pedro Leite [email protected]
Sara Costa [email protected]
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Resumo
Este relatório, elaborado no âmbito da unidade curricular designada “Projeto FEUP”, tem como
objetivo explorar o tema “Energia Solar”.
Sendo este um tema bastante abrangente, foi decidido abordar um subtópico mais específico,
neste caso, “Painéis Fotovoltaicos”.
O trabalho inicia-se com uma breve introdução e de seguida uma referência à energia solar em
geral, nomeadamente como é feita a sua produção, os benefícios/prejuízos em usá-la, bem como
a sua capacidade de geração.
Seguidamente, o relatório aborda o tema “Painéis Fotovoltaicos”, sendo este o assunto principal.
É nesta parte do trabalho que se faz referência às suas caraterísticas, à sua rentabilidade, às suas
aplicações, à energia fotovoltaica e ao seu desenvolvimento que tem sido, nos últimos anos,
enorme.
É de salientar que Portugal, apesar de ter condições meteorológicas ideais para um bom
aproveitamento desta energia, comparativamente aos outros países da europa como Alemanha
e Grécia, produz muito pouco.
Por fim é feita uma comparação entre painéis fotovoltaicos e painéis térmicos bem como também
dar a conhecer algumas curiosidades sobre este tema.
Palavras-Chave
Energia; Painéis fotovoltaicos; Centrais solares térmicas; Capacidade de geração; Efeito
fotovoltaico; Características do painel fotovoltaico; Rentabilidade; Aplicação; Evolução;
Funcionamento; Rendimento; Centrais solares.
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Agradecimentos
No decorrer deste trabalho contamos com o auxílio de diversas entidades, sem as quais não
conseguiríamos apresentar o presente relatório assim como o resto do projeto, às quais todos os
elementos do grupo passam a agradecer.
De entre vários outros, gostaríamos de agradecer ao nosso supervisor, José Fidalgo, pela ajuda
prestada sempre que foi necessário, contudo um especial agradecimento à nossa monitora Elsa
Moura que se mostrou crucial para o desenvolvimento do projeto, orientando-nos assim como
mostrando-se disponível para esclarecer qualquer tipo de dúvidas.
Por fim gostaríamos de agradecer à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto por ter
fornecido todos os equipamentos e espaços utilizados para o desenvolvimento e posterior
conclusão deste nosso projeto.
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Índice de Figuras
Figura 1 - Central solar de alta temperatura ........................................................................ 13
Figura 2 - Stirling ...................................................................................................................... 14
Figura 3 - Coletor em Cilindro ................................................................................................. 14
Figura 4 - Constituição de um painel solar ........................................................................... 15
Figura 5 - Efeito fotovoltaico ................................................................................................... 16
Figura 6 - Módulo de silício monocristalino ........................................................................... 17
Figura 7 - Módulo de silício policristalino .............................................................................. 17
Figura 8 - Célula Fotovoltaica ................................................................................................. 18
Figura 9 - Condições Meteorológicas para a produção de energia fotovoltaica .............. 23
Figura 10 - Potência acumulada na Europa nos finais de 2010 ......................................... 24
Figura 11 - Painel Fotovoltaico ............................................................................................... 25
Figura 12 - Painel Térmico ...................................................................................................... 25
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Rendimento das Diferentes Tecnologias ............................................................... 18
Tabela 2 - Dados técnicos dos painéis solares ...................................................................... 21
Índice de Esquemas
Esquema 1 - Caraterísticas dos diferentes tipos de células solares ......................................... 19
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Índice
Introdução ........................................................................................................................... 6
O que são as Energias Renováveis? ....................................................................................... 7
O que é a Energia Solar? ....................................................................................................... 9
Como se transforma Energia Solar em Energia Elétrica? .................................................... 10
Tipos de produção de Energia Solar ................................................................................. 10
Vantagens e Desvantagens da Energia Solar..................................................................... 11
Capacidade de Geração da Energia Solar ............................................................................. 12
Energia Térmica ................................................................................................................. 13
Como funcionam as Centrais Térmicas? ............................................................................ 13
Quais os sistemas de captação de energia que utilizam? ................................................... 13
Energia Fotovoltaica ........................................................................................................... 15
Evolução do Efeito Fotovoltaico ........................................................................................ 16
Princípio de Funcionamento dos Painéis Fotovoltaicos ....................................................... 16
Tecnologias de Conversão do Efeito Fotovoltaico em Energia ............................................. 17
Evolução dos Painéis Fotovoltaicos ................................................................................... 20
Características dos Painéis Fotovoltaicos ........................................................................... 20
Rentabilidade dos Painéis Fotovoltaicos ............................................................................ 21
Vantagens e Desvantagens de um Painel Fotovoltaico ....................................................... 23
Energia Fotovoltaica em Portugal e no Mundo .................................................................. 23
Aplicações dos Painéis Fotovoltaicos ................................................................................. 25
Conclusão .......................................................................................................................... 26
Bibliografia ......................................................................................................................... 27
Anexos ............................................................................................................................... 29
Anexo A ......................................................................................................................... 29
Anexo B ......................................................................................................................... 29
Anexo C ......................................................................................................................... 29
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Introdução
No início do século XX a produção de energia elétrica era responsável por cerca de um pouco
mais de dois terços da emissão total de dióxido de carbono para a atmosfera, com tendência para
aumentar. Com os alertas para as alterações climatéricas e as consequências provenientes das
mesmas, foram necessárias alternativas limpas e viáveis para diminuir este número. Desta forma
a energia solar ganhou maior relevo, embora já tivesse atingido um pico de popularidade nos
anos 70, devido às crises na indústria do petróleo, levantando-se com esta nova exposição ao
público questões que serão respondidas ao longo deste relatório:
Como se pode produzir energia a partir da luz solar?
Comparação da capacidade de produção de energia entre Portugal e a Europa.
De que vantagem beneficiamos? E desvantagens?
Para tornar a energia solar ainda mais vantajosa e competitiva face a outras opções de energia,
é necessário ainda muito investimento nesta área, já que apenas uma pequena percentagem da
energia vinda do sol consegue ser aproveitada e transformada em energia, devido ao pobre
rendimento destes mesmos painéis, contudo houve já uma notável evolução tanto a nível mundial
como nacional que ira ser analisada neste relatório.
Este trabalho foi proposto pela unidade curricular Projeto FEUP que visa a integração dos novos
alunos, ensinando-os simultaneamente a trabalhar em equipa e a desenvolver as suas
capacidades de transmissão de conhecimentos.
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O que são as Energias Renováveis?
Energias renováveis são fontes de energias ilimitadas, isto é, encontram-se em constante
renovação. Deste modo, podem ser utilizadas para produzir eletricidade de forma sustentável e
a não poluir o nosso planeta. Até ao final do século XX, a forma mais utilizada pelo homem para
produzir energia elétrica era através da queima de combustíveis fósseis, como o petróleo, o
carvão e o gás natural e através da energia nuclear. Estas duas formas de obter energia elétrica,
são consideradas energias não renováveis, pois são recursos limitados e poluentes, apesar de
possuírem um rendimento bastante elevado. A segunda até liberta resíduos radioativos,
altamente perigosos para o nosso bem-estar e para a vida em geral. Assim, as energias que o
ser humano considera renováveis são as energias que provêm do Sol (energia solar), da água
(energia hídrica e das ondas e marés), do vento (energia eólica), do centro da Terra (energia
geotérmica) e a biomassa, entre outras.
As energias renováveis foram consideradas um bem necessário para a nossa sociedade, e na
verdade, Portugal é dos países da Europa com melhores condições climatéricas para o
aproveitamento destas.
Apresentamos aqui, de uma forma resumida, uma pequena explicação de algumas Energias
Renováveis:
Energia Hídrica
A produção hidroelétrica faz-se em centrais hídricas. As centrais hídricas são o modo mais
eficiente de gerar eletricidade1 e contribuem para a estabilidade do sistema elétrico. Atualmente,
e em ano médio, cerca de 30% da eletricidade consumida em Portugal tem origem hídrica.
Energia das Ondas e Marés
A energia disponível no mar, ondas e marés, é muito abundante. Os equipamentos para
conversão desta energia renovável em eletricidade ainda se encontram em desenvolvimento,
procurando melhorar o rendimento e a resistência ao ambiente marítimo hostil.
Energia Eólica
Atualmente, o vento tem-se apresentado como uma das formas mais atrativas para produzir
eletricidade. Em zonas em que a velocidade do vento é considerada a necessária, é possível
instalar um parque eólico. Em Portugal estes ventos ocorrem em zonas montanhosas e na
costa. Atualmente mais de 20% da eletricidade consumida em Portugal tem origem eólica.
Energia Geotérmica
A geotermia é a energia do calor interior da Terra e é um recurso disponível nos locais com
atividade vulcânica, onde existem água ou rochas a temperatura elevada e em zonas onde seja
possível atingir estratos magmáticos. O aproveitamento desta energia para gerar eletricidade é
1 Informação disponível em http://www.apren.pt/pt/; as restantes informações presentes nesta pequena
explicação de cada uma das energias renováveis, também se encontra disponível nesta página.
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feito através de uma turbina cujas pás são movidas pelo vapor pelo calor da Terra. Para além de
ser usado para a produção de eletricidade, esta fonte de energia renovável pode ser usada como
fonte de calor para estufas ou por bombas de calor, para aquecimento ou arrefecimento de
edifícios.
Biomassa
Biomassa é a matéria orgânica, de origem vegetal ou animal, que pode ser utilizada como fonte
de energia. Incluem-se nesta categoria o aproveitamento de algas cultivadas ou colhidas na
costa, os resíduos resultantes da atividade humana, como os subprodutos da floresta, da
agricultura, da pecuária ou da exploração da indústria da madeira, e mesmo a parte
biodegradável dos resíduos sólidos urbanos, que constituem matérias-primas para a produção de
eletricidade, de calor e de combustíveis para os transportes. A utilização destes resíduos para
produção de eletricidade tem um importante papel na minimização do risco de incêndio, se a
limpeza das florestas for conjugada com o ordenamento do território
Energia Solar
E temos finalmente a energia solar. Aquela que mais será abordada no nosso trabalho.
A produção de eletricidade através da energia solar é possível através de células fotovoltaicas ou
pelo aquecimento de um fluido. No primeiro caso, as células são constituídas por sílica, fósforo e
boro que, ao receberem os raios solares, originam a produção de eletricidade, que pode ser
armazenada numa bateria ou injetada diretamente na rede elétrica através de um inversor. No
segundo caso, usam-se espelhos que concentram a luz solar para aquecer um fluido, gerando
vapor que faz rodar as pás de uma turbina a vapor produzindo eletricidade. O Sol também pode
ser usado para aquecer as águas ou para o aquecimento de edifícios. Este tipo de utilização pode
substituir os meios tradicionais de aquecimento, evitando o uso de eletricidade ou de gás. O
potencial solar é menor no Inverno do que no Verão; já no caso da hídrica ou da eólica, verifica-
se o contrário. O recurso eólico, em média, é um pouco mais intenso durante a noite do que de
dia; o recurso solar existe somente durante o dia. Temos um recurso solar que é sensivelmente
o dobro do da Alemanha, por exemplo. A utilização do Sol para gerar eletricidade é complementar
às outras fontes renováveis e é, na verdade, abundante em Portugal.
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O que é a Energia Solar?
A energia solar provém da luz e do calor do Sol. É utilizada por diferentes meios de tecnologia
que se encontram em constante evolução, tais como, o aquecimento solar, a energia solar
fotovoltaica (à qual iremos dar uma maior relevância), a energia heliotérmica, a arquitetura solar
e a fotossíntese artificial. Estas novas tecnologias podem ser denominadas ativas ou passivas e,
na verdade, o uso de painéis fotovoltaicos e coletores solares térmicos para aproveitar a energia
solar são considerados técnicas ativas. Algumas técnicas passivas são, por exemplo, a orientação
de um edifício para o Sol, a seleção de materiais com massa térmica favorável ou propriedades
translúcidas e projetar espaços que façam o ar circular naturalmente.
No movimento de translação da Terra em volta do Sol, esta recebe cerca de 1 410 W/m² de
energia. Desta quantidade de energia que é recebida pela Terra, apenas cerca de 19% da mesma
é absorvida pela atmosfera terrestre e 35% é refletido pelas nuvens. A energia absorvida pela
nossa atmosfera está na forma de luz visível e de luz ultravioleta, a qual é utilizada diretamente
pelas plantas para a realização da fotossíntese. Na verdade, apenas uma pequena fração da
energia solar disponível é utilizada. O espectro da luz solar na superfície da Terra pode ser
definido em toda a gama visível e infravermelho e uma pequena gama de radiação ultravioleta.
A superfície terrestre, os oceanos e a atmosfera absorvem energia solar, o que lhes confere um
aumento de temperatura. O ar quente que contém a água evaporada dos oceanos promove a
circulação e convecção atmosférica. Este ar, após atingir uma altitude elevada, arrefece e o vapor
de água condensa-se formando as nuvens que posteriormente provocam a precipitação sobre a
superfície terrestre, formando-se o ciclo da água. O calor que ficou latente de condensação de
água também irá levar à formação do vento, de ciclones e anticiclones. Finalmente, a fotossíntese
realizada pelas plantas transforma a energia solar em energia química, oxigénio e outros
compostos minerais.
O total de energia solar absorvida pela atmosfera terrestre é de aproximadamente 3.850.000 EJ
por ano.
Como foi possível compreender, a energia solar pode ser utilizada de inúmeras formas diferentes,
variando também de acordo com o local da superfície da Terra em questão. Desta forma, de
acordo com um estudo publicado em 2007 pelo Conselho Mundial da Energia, em 2100, 70% da
energia consumida será de origem solar.
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Como se transforma Energia Solar em Energia Elétrica?
Hoje em dia, o ser humano utiliza a energia elétrica, proveniente da energia solar, em
praticamente tudo. Alguns exemplos de como utilizamos a eletricidade são: para iluminarmos a
casa, para ver televisão, para satisfazer as nossas necessidades básicas como a higiene e a
alimentação, para aceder à internet, carregar o telemóvel, entre inúmeras coisas. Necessitamos
da energia elétrica em grande parte das atividades do dia-a-dia.
Depois de uma grande evolução na forma como se transformava a energia solar em energia
elétrica, pois inicialmente não se utilizava a energia proveniente do sol para produzir eletricidade,
o que, por vezes, poluía o ambiente, finalmente surgiram as duas formas mais reconfortantes
para o nosso ambiente de como produzir energia elétrica, que surgiram da utilização de energias
renováveis: energia fotovoltaica e térmica.
De forma resumida, a energia fotovoltaica é produzida através de células fotovoltaicas,
constituídas normalmente por silício. Estas células têm como base de funcionamento a receção
de fotões (presentes nos raios solares) para prosseguirem à formação de eletrões, gerando o
efeito fotoelétrico, descoberto pelo cientista Albert Einstein. Por outro lado, a energia térmica é
produzida a partir do aquecimento gerado pelo sol, isto é, o calor é transformado em eletricidade
através da produção de vapor, que é responsável por girar turbinas ligadas a geradores de
energia.
Os países que mais geram energia a partir de centrais solares e placas residenciais são,
respetivamente, Alemanha, China, Itália, Estados Unidos e Japão.
Tipos de produção de Energia Solar
Os métodos de captura de energia solar dividem-se em diretos e indiretos e ativos e passivos:
Diretos – significa que há apenas uma transformação possível para fazer da energia
solar um tipo de energia utilizável pelo homem.
Exemplos: quando a energia solar atinge uma célula fotovoltaica cria eletricidade; quando atinge
uma superfície escura e é transformada em calor aquecerá uma certa quantidade de água.
Indiretos – significa que é necessário ocorrer mais de uma transformação para que
surja energia utilizável.
Sistemas Passivos – são geralmente diretos, apesar de envolverem (algumas vezes)
fluxos em convecção, que é tecnicamente uma conversão de calor em energia mecânica.
Sistemas Ativos – são geralmente indiretos e são considerados sistemas que apelam
ao auxílio de dispositivos elétricos, mecânicos ou químicos para aumentar a capacidade
de produção de energia.
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Vantagens e Desvantagens da Energia Solar
Como todos os recursos utilizados pelo ser humano, a energia solar também possui vantagens e
desvantagens:
Vantagens:
o Renovável;
o Abundante;
o Não polui o ambiente, isto é, não emite gases poluentes para a atmosfera;
o Manutenção mínima;
o Útil em locais com difícil acesso.
Desvantagens:
o Dispendiosa;
o Dependente das condições atmosféricas;
o Baixo rendimento;
o Rendimento pouco elevado;
o Armazenamento pouco eficiente comparado ao de combustíveis fósseis, etc.
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Capacidade de Geração da Energia Solar
A capacidade de geração desta energia e os custos dos investimentos na mesma tem vindo a
comportar-se de forma inversa, devido à redução dos preços dos equipamentos, os consequentes
investimentos são proporcionalmente menores, o que não invalida a subida da quantidade de
energia fotovoltaica gerada recentemente atingindo mais de 102GW, poupando 53 milhões de
toneladas de CO2.
Contudo, dentro deste desenvolvimento da capacidade de geração de energia, destacam-se
alguns países que representam mais de metade do monopólio da indústria, sendo estes os que
mais têm impulsionado o desenvolvimento desta energia limpa. No continente europeu destacam-
se a Alemanha, que segundo a EPIA (European Photovoltaic Industry Association) tem crescido
exponencialmente durante uma década, sendo mesmo o país mais desenvolvido na indústria a
nível mundial, com capacidade para gerar 32,411 GW. Também na europa a Itália se destaca
com capacidade de geração de 16,3 GW, contudo, apesar dos números, a EPIA afirma a existência
de uma significativa queda da produção recente.
Já na Ásia, a China foi o país que mais investiu nesta energia renovável, segundo a UNEP (United
Nations Environment Programme), tendo capacidade para gerar cerca de 8,3GW.Também no
continente asiático o Japão se afirma com capacidade de 6,9GW sendo este número impulsionado
pela procura do incentivo à utilização de energias limpas. Por fim na América, os EUA possuem a
capacidade para gerar 7,7 GW de energia com vista a crescimento de 4GW num curto espaço de
tempo, devido ao recurso a novos parques solares e pequenas instalações.
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Energia Térmica
Um outro método para a captação dos raios solares e consequente utilização dos mesmos para
produção de energia são as centrais solares térmicas. Estas utilizam o calor do sol, neste caso,
tal como todas as outras centrais térmicas, contudo não sendo necessária a queima de
combustíveis fosseis para produção de energia. Embora tenha todas as vantagens de ser uma
energia limpa, tem contra si o facto de ser, não só dependente das condições climatéricas como
também os seus custos elevados e a necessidade de grandes investimentos.
Mesmo fazendo face a estas contrapartidas tem vindo a posicionar-se de forma a dominar uma
pequena parte da indústria pois continua a ser desenvolvido pelos países que dominam o
monopólio da indústria solar, tais como Espanha e Estados Unidos, sendo possível melhoramentos
em áreas como o custo de manutenção e também o custo dos componentes que integram os
painéis.
Como funcionam as Centrais Térmicas?
Ao contrário das centrais fotovoltaicas que convertem os fotões provenientes do sol diretamente
em energia elétrica, neste tipo de centrais os raios solares são refletidos por espelhos, que variam
na forma conforme o método de captura, estando por sua vez orientados para o coletor,
direcionando os raios de forma a aquecerem um fluido, mais recentemente sódio liquido devido
à sua alta capacidade de aquecimento permitindo reter o calor durante vários dias, aumentando
a rentabilidade, por sua vez este fluido fará girar uma turbina, devido ao seu vapor ou à força
mecânica exercida pelo mesmo, e produzirá energia elétrica.
Quais os sistemas de captação de energia que utilizam?
Torre solar
Este método de captura de energia solar requer
uma área ampla de grandes dimensões onde são
colocados helióstatos, espelhos retangulares,
orientados para o sol, como referido
anteriormente, refletindo a luz solar para o topo
de uma torre que fica no centro do terreno pelo
qual se espalham os helióstatos. Nesta torre está
o recetor que por sua vez irá aquecer o fluido que
de seguida é usado para aquecer água, fazendo a
mesma evaporar e o seu vapor faz movimentar
uma turbina que produz eletricidade.
Figura 1 - Central solar de alta temperatura
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Stirling
Esta forma de captura consiste na utilização de um espelho semelhante a um satélite. Este mesmo
recolhe os raios solares e dirige-os para um recetor que transfere o calor para um fluido dentro
do motor, o calor provoca a expansão do fluido contra uma turbina e por sua vez a energia
mecânica obtida é usada para mover um gerador e produzir energia.
Coletor em cilindro
Os raios solares são refletidos por espelhos retangulares cilíndricos de forma a aquecerem um
tubo que passa por vários módulos, sendo este calor utilizado para evaporar o fluido que por sua
vez fará girar uma turbina ligada a um gerador de forma a produzir energia.
Figura 2 - Stirling
Figura 3 - Coletor em Cilindro
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Energia Fotovoltaica
Ao longo dos últimos anos, no final do século XX e inícios do XXI, o ser humano tem vindo a ser
sensibilizado e alertado para o perigo e agressão à natureza que tem vindo a ocorrer por parte
do homem devido ao aumento do uso e dependência de energias não renováveis. Tornou-se
imperativo encontrar sistemas alternativos de energia que vislumbrem um mundo equilibrado,
sem agressão à natureza, sendo ecologicamente correto. A energia solar é uma dessas fontes
alternativas que pode se utilizada como solução, embora, ainda atualmente não seja uma solução
definitiva para o problema.
Das energias renováveis disponíveis no planeta, o Sol é sem dúvida o mais abundante. Na
verdade, a energia solar que a Terra recebe do Sol num minuto é suficiente para cobrir as
necessidades energéticas da população mundial durante um ano. Todavia o mundo utiliza apenas
uma pequena porção da energia solar ao nosso dispor, em parte porque a relação entre o custo
e o rendimento das tecnologias de energia solar ainda não é o ideal para a maioria da população.
A energia solar tem um carácter seguro, limpo, renovável e autónomo. É seguro porque não
utiliza meios que ponham em perigo a vida, limpo porque não gera resíduos no seu processo,
renovável porque a sua fonte de matéria-prima é o sol e autónomo porque permite uma utilização
independente pois pode ser usada individualmente ou em comunidade.
A conversão da energia solar em energia elétrica é feita através do efeito fotovoltaico descoberto
pelo físico francês Alexander E. Becquerel em 1839.
A conversão dá-se através de uma reação fotoquímica que ocorre no interior dos painéis solares
fotovoltaicos, onde se encontram instaladas células. Para perceber como funcionam as células
fotovoltaicas é fundamental saber que a luz é constituída por pequenas partículas chamadas
fotões. As células fotovoltaicas na sua maioria são compostas por uma camada positiva e
negativa, constituídas de materiais semicondutores, por exemplo o silício, com características
cristalinas. Deve-se realçar que estas células não permitem o armazenamento de energia. A
absorção da energia dos fotões pela célula permite a libertação dos eletrões que se movimentam
para a parte inferior da célula e assim criam uma corrente de eletrões, ou seja eletricidade. Estas
células são agrupadas e formam os painéis ou módulos fotovoltaicos.
Figura 4 - Constituição de um painel solar
16
Evolução do Efeito Fotovoltaico
Em 1905, Albert Einstein descreveu a natureza da luz e o efeito fotoelétrico no qual a tecnologia
fotovoltaica é baseada, pelo qual ele mais tarde ganhou o prémio Nobel da Física.
Foi a partir de 1930, que se começou a produzir eletricidade através da energia solar, no princípio
com células de oxido de cobre e posteriormente de selénio. Mas foi só em 1954, com a execução
das primeiras células fotovoltaicas de silício, nos laboratórios Bell e RCA que se começa a prever
o fornecimento de energia. A utilização destas células em veículos espaciais permitiu um rápido
avanço e progresso.
Na década de 80, houve um desenvolvimento constante da tecnologia fotovoltaica a partir do
surgimento de várias centrais de alguns megawatts. Esta tecnologia tornou-se familiar à maior
parte da população através de alguns produtos de baixa potência como por exemplo:
calculadoras, relógios, iluminações de jardim, instalações meteorológicas, bombas de água e
frigoríficos solares.
Na atualidade, 90% da produção total de módulos é feita no Japão, nos EUA e na Europa,
principalmente através das grandes companhias como a Siemens, Sanyo, Kyocera, Solarex e BP
Solar, que detêm 50% do mercado mundial. Os restantes 10% da produção vêm do Brasil, Índia
e China, que são os principais produtores de módulos fotovoltaicos, no seio dos países em vias
de desenvolvimento.
Princípio de Funcionamento dos Painéis Fotovoltaicos
O efeito fotovoltaico, figura 5, acontece quando dois materiais diferentes em contacto produzem
uma tensão elétrica se sobre eles incidir uma luz outra energia radiante. A luz ao incidir no silício,
um material no qual os eletrões normalmente não são livres para se deslocar de um átomo para
o outro, fornece a energia necessária para libertar alguns eletrões da sua condição limitada. Os
eletrões livres atravessam a junção entre dois materiais diferentes mais facilmente numa direção
que na outra, dando a um lado da junção uma carga negativa e portanto uma tensão negativa
em relação ao outro lado.
O efeito fotovoltaico pode continuar a fornecer corrente enquanto a luz continuar a incidir sobre
os dois materiais.
Figura 5 - Efeito fotovoltaico
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Há alguns fatores que limitam a conversão da energia solar em energia elétrica tal como:
As perdas por reflexão;
As perdas por não absorção, pois a energia dos fotões é insuficiente;
As perdas por transmissão, não há criação do par eletrão-lacuna.
Tecnologias de Conversão do Efeito Fotovoltaico em Energia
Existem três tecnologias de construção de células fotovoltaicas
Silício cristalino;
Peliculas finas aplicadas sobre substratos rígidos;
Peliculas finas aplicadas sobre substratos flexíveis.
O material maioritariamente usado em células fotovoltaicas é o silício, no entanto também se
utiliza o arsenieto de gálio, camadas finas de CdTe (telureto de cádmio), o CIS (cobre, índio,
selénio) e ainda o arsenito de gálio (GaAs).
Existem diversos tipos de células solares:
As células monocristalinas;
As células policristalinas; As células amorfas;
As células CdTe, CIS, GaAs;
As células multi-junção;
As células de matérias orgânicas semicondutoras;
As células termo-fotovoltaicas.
Figura 6 - Módulo de silício monocristalino
Figura 7 - Módulo de silício policristalino
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Legenda da Figura 8:
1. Semicondutor n 2. Junção p-n 3. Semicondutor p 4. Conetor Metálico
5. Conetor Metálico 6. Metal anti brilho
A tabela seguinte apresenta os rendimentos de cada uma destas tecnologias:
Tecnologia Rendimento Típico [%]
Monocristalinas 12-16
Policristalinas 11-13
Amorfas 5-10
CdTe e CIS 7
Arsenito de gálio 30
Multi-junção 40 (para o caso de tripla
junção)
Células de matérias orgânicas semicondutoras
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Tabela 1 - Rendimento das Diferentes Tecnologias
Figura 8 - Célula Fotovoltaica
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Esquema 1 - Caraterísticas dos diferentes tipos de células solares
Silício Cristalino
( cerca de 90% das células disponíveis)
Células de silício monocristalino
apresentam uma elevada eficiência, no entanto,
são também mais dispendiosas
Células de silício policristalino
apresentam um custo de produção menos elevado
que as células monocristalinas
Películas finas aplicadas sobre
substratos rígidos
Células de silício amorfo (a-Si)
Células de disseleneto de cobre e indio (CIS)
- preço mais baixo
- menos material e energia necessária para
produzir a célula
- menor perda de eficiência a altas
temperaturas
- melhor desempenho em condições de baixa radiação e de radiação
difusa
- menor sensibilidade aos sombreamentos
devido à sua geometria
Células de telureto de cadmio (CdTe)
Células de arsenito de gálio (GaAs)
usado em aplicações espaciais devido ao seu custo elevado
Películas finas aplicadas sobe
substratos flexíveis (ainda não existem no
mercado)
Células multi-junção
possibilitam um melhor
aproveitamento do espetro de radiação
solar
Células de matérias orgânicas
semicondutoras
pretendem imitar o processo de fotossíntese
Células termo-fotovoltaicas
a energia solar é convertida primeiro em calor e depois
convertida em energia elétrica
20
Evolução dos Painéis Fotovoltaicos
O silício é o principal material utilizado na criação de painéis fotovoltaicos. Como o seu preço é
bastante elevado, os investigadores decidiram investigar e tentar desenvolver outra geração
deste material, mas mais flexível e fino que os seus antecessores. Desta forma, inúmeras
empresas estão a trabalhar no fabrico deste tipo de matérias, com o objetivo de diminuir a
despesa, baixando o custo desta nova tecnologia. Para além desta investigação, as células
fotovoltaicas também estão a ser trabalhadas pelos pesquisadores.
Embora o custo destes novos materiais seja menor, a sua eficiência é baixa relativamente ao
silício, existindo ainda a possibilidade de no futuro, a utilização destes tornar-se mais rentável.
Alguns especialistas estimam que poderia ser rentável para ultrapassar os combustíveis fósseis a
partir de 2015.
Além disso, investigadores e empresas em todo o mundo estão a trabalhar no desenvolvimento
de buracos quânticos, nanotubos de carbono e de nano estruturas de óxido de titânio. Tem como
objetivo cobrir as casas/estradas para obter energia.
Outra nova forma que está a ser estudada é a junção de nano partículas com polímeros, uma vez
que com a presença destes, os painéis solares tornam-se mais eficientes e ainda mais baratos.
Estas nanopartículas, para além de captarem energia do visível, também conseguem captar
energia da zona do infravermelho, sendo este uma das tecnologias que a NASA tem vindo a usar
nas suas missões a Marte.
As energias renováveis são, atualmente, uma realidade para nós, onde temos de tirar o melhor
proveito delas. Mas isto só acontece se apostarmos decisivamente no seu desenvolvimento e
implementação. Não podemos gastar combustíveis fósseis de uma forma exagerada porque o
seu fim está cada vez mais perto.
Deste modo, é a altura ideal para se apostar neste tipo de energias, sendo os painéis fotovoltaicos
uma das tecnologias mais promissoras no momento.
Características dos Painéis Fotovoltaicos
Um painel fotovoltaico é um conjunto de células fotovoltaicas ligadas entre si, que, quando
conectados, formam um módulo fotovoltaico. Existem painéis entre a gama dos 10Wp até 140Wp
para sistemas isolados a 12V e 195Wp para sistemas a 24V.
Um painel solar apresenta a forma quadrada ou retangular, com uma área geralmente
compreendida entre 0,1 e 0,5 metros quadrados. Este apresenta também uma espessura de 3
cm, apresentando um peso entre os 6 e 7 kg.
Cada painel apresenta diferenças características. Tome-se como exemplo um painel fotovoltaico
típico de 65 Watts. A sua potência máxima é de 65W, a sua tensão máxima potência é de 17.4V,
corrente da máxima potência é de 3.75A, tensão máxima dos sistemas 600V e, por fim, dimensões
de 751x652x54 (altura x largura x espessura).
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Características mecânicas/físicas:
Cobertura de vidro temperado ou de materiais orgânicos;
Várias camadas de silicone com o objetivo de evitar a degradação do mesmo. As
camadas de silicone são ideais, já que são transparentes, não perdem as suas
propriedades e têm um preço acessível;
Diversas camadas protetoras (normalmente de vidro), de modo que a luz que atravessa
as células possa ser de novo aproveitada;
Aço de inox, de maneira a garantir a melhor estabilidade do painel.
Rentabilidade dos Painéis Fotovoltaicos
A rentabilidade de um sistema de microprodução solar, através de painéis fotovoltaicos, não é
apenas determinada pelo custo da venda do produto, mas também pela produtividade da
instalação (área e exposição solar) e pelo custo do investimento inicial. Assim, podemos inferir
que a rentabilidade depende de inúmeros fatores. Tome-se como exemplo a quantidade de horas
de sol disponíveis anualmente, as condições da implantação dos painéis solares fotovoltaicos e
da qualidade (eficiência) dos painéis utilizados.
Apesar do elevado custo dos países fotovoltaicos há um rápido retorno do investimento. Assim,
podemo-nos referir a este retorno como rentabilidade.
Tabela 2 - Dados técnicos dos painéis solares
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Na região autônoma da Madeira um sistema com uma potência igual a 6,3 KW, num local com
elevada exposição solar, perfaz cerca de 1400 EUR/ano. Assim, após 6 anos existe um retorno
do investimento (com o custo chave na mão e ligada a rede).
Em adição, os painéis fotovoltaicos não são apenas um sistema de autoconsumo. Deste modo é
possível vender a energia produzida à EDP ou outro comercializador.
Em suma é possível inferir que a energia solar, produzida através de painéis fotovoltaicos,
apresenta uma elevada rentabilidade. Logo, trata-se de um investimento com retorno garantido.
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Vantagens e Desvantagens de um Painel Fotovoltaico
Este tipo de energia, apesar de não necessitar de qualquer tipo de manutenção, e de ser uma
energia limpa, não poluente, tem vantagens e desvantagens na sua utilização.
Vantagens:
o Alta fiabilidade, não tem peças móveis, o que é muito útil em aplicações em
locais isolados;
o O fácil manuseamento dos módulos permite montagens simples e adaptáveis;
o O custo de operação é reduzido, não necessita manutenção, combustível ou
transporte;
o A tecnologia fotovoltaica apresenta qualidades ecológicas pois o produto final é
não poluente, silencioso e não perturba o ambiente.
Desvantagens:
o O custo do fabrico dos módulos fotovoltaicos é bastante elevado, embora cada
vez mais barato;
o O rendimento real de conversão de um módulo é reduzido face ao custo do
investimento;
o Os geradores fotovoltaicos raramente são competitivos do ponto de vista
económico, face a outros tipos de geradores (exemplo dos geradores a gasóleo).
Energia Fotovoltaica em Portugal e no Mundo
O uso desta energia em Portugal tem vindo a aumentar nos últimos anos, aplicando-se,
principalmente, na área das telecomunicações, eletrificação rural, sinalização e bombagem de
água para irrigação.
Como Portugal possui excelentes condições meteorológicas para a produção de energia
fotovoltaica, os índices de produção são elevados (entre os 1000 e os 1500 kW/h por ano).
Figura 9 - Condições Meteorológicas para a produção de energia fotovoltaica
24
No entanto, apesar da utilização desta energia ter aumentado nos últimos anos, existem algumas
razões que justificam o fraco desenvolvimento da energia solar em Portugal, como é o caso de
algumas más experiências no início da expansão do solar (década de 80), em parte associadas à
falta de qualidade dos equipamentos e das instalações, falta de informação específica sobre as
razões do interesse e as possibilidades da tecnologia junto dos seus potenciais utilizadores, o
elevado custo do investimento inicial, barreiras técnicas e tecnológicas à inovação ao nível da
indústria, da construção e da instalação de equipamentos térmicos, e insuficiência de medidas de
incentivo.
No entanto, também existiram experiências no passadas relacionadas com a energia solar, que
tiveram sucesso, existindo muitos sistemas a funcionar convenientemente em todo o país.
A situação do mercado em Portugal até aqui, porém, tem contrastado com a tendência de
expansão que se observa na maior parte dos nossos parceiros europeus. Como comparação
temos a Alemanha, onde a radiação solar é muito inferior à nossa e é hoje o líder na Europa com
mais de milhões de m² de coletores térmicos instalados.
Ou seja, a partir do gráfico apresentado de seguida, conclui-se que Portugal não aproveita o facto
de ser um dos países europeus com maior exposição solar, o que não deveria acontecer. Outro
exemplo que serve de analogia com Portugal é a Grécia que é um país muito semelhante ao
nosso e ainda assim tem um mercado interno anual térmico superior 30 vezes ao nosso.
Figura 10 - Potência acumulada na Europa nos finais de 2010
25
Aplicações dos Painéis Fotovoltaicos
Apesar do elevado custo e do baixo rendimento no processo de conversão (cerca de 25%) serem
fatores impeditivos de uma utilização em elevada escala, os sistemas fotovoltaicos já fazem parte
do dia-a-dia de qualquer um.
Existem dois tipos principais de aplicações, as aplicações em grande escala e as aplicações em
pequena escala (também conhecida com a micropotência). Atualmente, várias calculadoras e
relógios de pulso, obtêm energia através de pequenos painéis instalados. No entanto as
aplicações em grande escala são bastante mais vistosas, rentáveis e úteis. A eletrificação no meio
rural e as aplicações noturnas ligadas a iluminação, são possíveis através do uso de painéis.
Em adição, a bombagem de água, sinalização (náutica, ferroviária, aeronáutica e terrestre) e
proteção catódica utilizam esta fonte de energias renováveis. Por fim, os sistemas de
telecomunicações, a alimentação de parquímetros e a iluminação de emergência em prédios,
residências, fábricas e hospitais é assegurada através do uso de painéis solares tal como através
de outros meios.
Em suma, com o aparecimento dos painéis fotovoltaicos, a qualidade de vida subiu
consideravelmente tal como a preservação do ambiente para gerações futuras.
Diferença entre Painéis Fotovoltaicos e Painéis Térmicos
Estes dois tipos de painéis solares são frequentemente confundidos, contudo diferem bastante
em termos das suas aplicações e funcionalidades. Os painéis solares fotovoltaicos convertem os
raios solares em energia elétrica, sendo compostos por células escuras de forma a captarem
melhor a luz solar. Estes mesmos variam a sua rentabilidade conforme o material do qual são
feitas as células, também como as condições climatéricas do local onde são implementados assim
como a capacidade de dispersão do calor das células e do meio.
Por sua vez, os painéis solares térmicos são utilizados para aquecer um ambiente, água, etc., a
partir da energia solar aproveitada pelos mesmos, sendo esta convertida em energia elétrica ao
mesmo tempo que a energia térmica (calor) proveniente do sol é utilizada para os fins referidos
anteriormente. Estes, ao contrário dos fotovoltaicos, têm a finalidade de armazenar calor
utilizando para tal borracha preta entre outros materiais.
Figura 11 - Painel Fotovoltaico Figura 12 - Painel Térmico
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Conclusão
Com a elaboração deste relatório, foi possível concluir alguns aspetos relativos a uma das mais
promissoras fontes de energia do mundo, a energia solar.
A produção de eletricidade através da energia solar só é possível recorrendo à utilização de células
fotovoltaicas ou pelo aquecimento de um fluido, sendo este tipo de energia utilizado em diversos
meios de tecnologia que, atualmente estão numa evolução crescente, nomeadamente os painéis
fotovoltaicos.
Portugal é um dos países da Europa com melhores condições naturais para aproveitar esta
energia uma vez que possui excelentes condições meteorológicas para tal.
Apesar deste fator, com a realização deste trabalho, verificou-se que Portugal, ainda assim, é um
dos países europeus com menor potência instalada.
Para finalizar, também se concluiu que esta energia, apesar de ser renovável, não poluente e
abundante, apresenta, contudo, certas desvantagens, nomeadamente:
Dispendiosa;
Dependente das condições atmosféricas;
Baixo rendimento.
Com todas as vantagens e desvantagens inerentes a esta fonte de energia, a energia solar
constitui, apesar de tudo, uma fonte de energia simples, sustentável, que permite autonomia e
poupança a longo prazo, características que a tornam um recurso valioso e peculiar, que merece
ser explorado e melhor aproveitado, nomeadamente em Portugal.
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Relatório TCC, Departamento de eletrotécnica, UNIDADE INTEGRADA SESI/SENAI DE
NIQUELÂNDIA. Disponível em:
http://pt.scribd.com/doc/36646755/Energia-Solar-Fotovoltaica-Relatorio-TCC (Acedido
a 14 de Outubro de 2014)
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Anexos
Anexo A
Notícias interessantes sobre a energia solar:
http://www.jornaldenegocios.pt/empresas/detalhe/producao_de_energia_solar
_em_portugal_acelerou_em_agosto.html
http://expresso.sapo.pt/a-central-eletrica-mais-eficiente-do-
mundo=f653960#ixzz3HdLUNNnM
http://www.portal-energia.com/mais-de-200-gw-de-energia-solar-fotovoltaica-
ate-final-de-2014/#ixzz3HdLj0175
http://greensavers.sapo.pt/2014/08/13/telhas-de-vidro-permitem-aquecer-
habitacao-com-energia-solar/nggallery/image/telha-2#ngg-gallery-
0b3392140a0508e15f33a49a81dd18e9-67966
http://visao.sapo.pt/o-primeiro-elevador-do-mundo-a-energia-solar-funciona-
em-
portugal=f760034#ixzz3HdNCqMAzhttp://greensavers.sapo.pt/2014/01/06/ford
-pesquisa-carro-movido-a-energia-solar-para-uso-diario/
http://www.cienciahoje.pt/index.php?oid=59363&op=all
Anexo B
Um exemplo do uso da energia solar no dia-a-dia:
http://www.tamera.org/project-groups/autonomy-technology/
http://sicnoticias.sapo.pt/programas/olhasic/2014-08-15-olha-a-sic-visita-
aldeia-ecologica-entre-odemira-e-cercal
Anexo C
Outros exemplos de como aproveitar a energia do sol e do vento:
http://sicnoticias.sapo.pt/programas/futurohoje/2014-10-28-Aproveitar-a-
energia-do-sol-e-do-vento