Como funciona: Energia Solar Fotovoltaica

O que é a Energia Solar?

Energia Solar é o nome dado para a geração de energia cuja fonte é o Sol. Ela é considerada uma forma limpa e inesgotável de geração: limpa pois não se gera resíduos e gases, durante a sua produção, ou consumo; e o sol é uma fonte inesgotável pois, diferentemente do petróleo, por exemplo, este não acabará caso o usarmos como fonte de geração. Que os dias de glória do Sol, um dia acabarão, de fato, não há dúvidas. Porém, na nossa escala de tempo, podemos dizer que o Sol é uma fonte inesgotável de radiação que nos possibilita gerar energia.  

No gráfico abaixo, vemos que o Brasil está entre as áreas do globo que mais recebem radiação solar, algo em torno de 7.5 KWh/m²/dia, dependendo da latitude. Vale destacar a radiação que chega à Europa por dia, aproximadamente 5.5 KWh/m².

Sabendo desses dados, somos levados a crer que o Brasil é um dos maiores exploradores da energia solar, enquanto países da Europa investem em outros tipos de geração de energia. Porém, isso é verdade? Não! A Alemanha, devido a fatores políticos e econômicos, é o MAIOR produtor de energia solar no mundo. Lá, o Governo dá incentivos para que a população implante painéis fotovoltaicos em suas residências.

No Brasil, a maior parte da energia elétrica produzida é convertida a partir da energia  da água, com as Hidrelétricas, e dentre todas as usinas, vale a pena destacar Itaipu, que em 2015 gerou 89,215 GWh de energia elétrica. Esse número assusta, mas a Alemanha não liga: no dia 26 de maio de 2016, ela gerou em uma hora, somente com energia solar, 22GW, que é 1,5 vezes o que Itaipu consegue produzir no mesmo período de tempo.  Além disso, um bairro alemão, desde 2015 vêm gerando 4x mais energia do que necessita!

Porém, novos tempos estão por vir. O mercado brasileiro para esse tipo de demanda vem crescendo: de acordo com o site Portal Brasil, Em 2018, o Brasil deverá estar entre os 20 países com maior geração de energia solar, considerando-se a potência já contratada (2,6 GW) e a escala da expansão dos demais países.

Quer saber mais sobre esta forma de geração de energia? De onde ela veio? Como funciona? Leia abaixo!

História

A geração de energia a partir da luz solar está diretamente ligada ao que se chama de “efeito fotovoltaico”, observado pela primeira vez em 1893 pelo físico francês Alexandre-Edmond Becquerel. “Esse efeito consiste essencialmente na conversão de energia luminosa incidente sobre materiais semicondutores, convenientemente tratados, em eletricidade”, esclarece o professor. É com base nele que se produzem os painéis solares, formados por células fotovoltaicas, que são dispositivos semicondutores com essa propriedade de captar a luz do Sol e transformá-la em energia, gerando uma corrente elétrica capaz de circular em um circuito externo. “No início, esse sistema era utilizado somente na geração de energia para satélites”, conta Roberto Zilles, professor associado do Instituto de Energia e Ambiente da USP. “Mas as tecnologias de produção evoluíram a tal ponto que tornou viável seu uso em aplicações terrestres, para fornecimento de energia elétrica em residências isoladas da rede convencional de distribuição”. O professor diz que estes sistemas isolados eram inicialmente autônomos, ou seja, não estavam ligados às redes de fornecimento de energia. “Por isso, eles necessitam quase sempre de um meio para armazenar a energia gerada, como um acumulador eletroquímico (uma “bateria”), para suprir a demanda quando a geração solar for baixa ou à noite, quando não há incidência de luz solar”, diz. Este meio de armazenamento se aplica à geração de energia residencial, em menor escala. Mais recentemente, no entanto, essa forma de geração vem sendo utilizada de forma interligada, de modo que a energia gerada é entregue diretamente à rede elétrica, não necessitando mais desses acumuladores.

Como funciona?

1. As células fotovoltaicas (ou células solares) são feitas a partir de materiais semicondutores (normalmente o silício). Quando a célula é exposta à luz, parte dos elétrons do material iluminado absorve fótons (partículas de energia presentes na luz solar).
2. Os elétrons livres são transportados pelo semicondutor até serem puxados por um campo elétrico. Este campo elétrico é formado na área de junção dos materiais, por uma diferença de potencial elétrico existente entre esses materiais semicondutores.
3. Os elétrons livres são levados para fora da célula solar e ficam disponíveis para serem usados na forma de energia elétrica – em corrente contínua.
4. A energia gerada pelo painel solar passa por um inversor que transforma a corrente contínua em alternada e equaliza com a frequência da sua residência (60Hz). Desta forma a energia vinda do painel está agora igual à da rede elétrica.
5. A energia que sai do inversor é conectada na rede de energia da sua casa –  normalmente, no quadro de luz – e está pronta para ser utilizada!

Esta energia será consumida pelas luzes da casa, eletrodomésticos e tudo o que esteja conectado na tomada. Se não tiver luz suficiente para gerar o tanto de energia que você consumir, a demanda será suprida pela distribuidora de energia local.

Se a sua casa gerar mais energia elétrica do que está consumindo naquele momento, a energia extra vai para a rede da distribuidora e gera um “crédito de energia” para você (Resolução 482/2015 da ANEEL). Este crédito tem 36 meses de validade e será usado automaticamente se você gerar menos energia do que está consumindo, como, por exemplo, em um dia de muita chuva.

O sistema fotovoltaico não requer alta irradiação solar para funcionar. Contudo, a quantidade de energia gerada depende da densidade das nuvens, de forma que um número baixo de nuvens pode resultar em uma maior produção de eletricidade em comparação aos dias de céu completamente aberto, devido ao fenômeno da reflexão da luz.

A eficiência da conversão é medida pela proporção de radiação solar incidente no painel que é convertida em energia elétrica. Atualmente, as células mais eficientes proporcionam 25% de eficiência.

Como é instalado?

 

1. Preparação do local de instalação das placas solares: com base no layout desenhado para o sistema, a equipe de instalação sobe no telhado da sua casa ou empresa e desenha onde será alocado cada painel solar.
2. Em telhados de barro, as telhas são removidas nos lugares certos e os “suportes” são aparafusados nestes pontos provendo a base da fixação do sistema. Em telhados de metais, a instalação é mais simples e o suporte é aparafusado através da própria telha metálica provendo segurança e proteção contra infiltrações.
3. Após a instalação dos “suportes”, temos o encaixe dos “trilhos” –  onde os painéis solares serão fixados (em detalhe na figura). As estruturas de fixação são todas pré-fabricadas, normalmente em alumínio. Com os trilhos bem fixos é hora de instalar os painéis em seu devido lugar e conectar os cabos.
4. Na parte final da instalação, quando quem trabalha é somente o eletricista, os painéis solares são conectados ao inversor, que será instalado na rede elétrica de sua casa ou empresa. Sua função é converter a energia produzida de corrente contínua, produzida pelos painéis, para corrente alternada, corrente presente na rede de distribuição. Após a sua instalação e conexão com a rede, o sistema de energia solar já está produzindo energia elétrica e você começa a economizar na conta de luz imediatamente.

Todos sabemos, todavia, que para tudo existem os dois lados da moeda. Abaixo conferimos os pontos altos e baixos desse tipo de geração.

Vantagens

1. A energia solar é uma fonte de energia renovável e inesgotável.
2. Ao contrário dos combustíveis fósseis, o processo de geração a partir dela não emite gases poluentes nocivos à saúde e que contribuem para o aquecimento global.
3. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos para a construção dos painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controle existentes atualmente.
4. Os painéis solares estão cada dia mais potentes ao mesmo tempo que seu custo vem decaindo, o que os torna uma solução cada vez mais economicamente viável.
5. Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território, como mostrado na figura 1.
6. A energia solar é excelente para lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua instalação em pequena escala não necessita de grandes investimentos em linhas de transmissão e sua utilização ajuda a diminuir a procura energética nos centros de geração de energia e também a perda que ocorreria na transmissão.
7. A geração de energia através de painéis solares requer áreas menos extensas do que hidrelétricas, por exemplo, e as suas centrais precisam de manutenção mínima.

Desvantagens

1. Apesar de não exigir áreas tão extensas quanto as hidrelétricas, as usinas de energia solar ainda requerem grandes espaços e uma análise do local mais apropriado para a sua implantação, uma vez que haverá a supressão da vegetação.
2. O custo de implantação da energia fotovoltaica é alto e a eficiência do processo é baixa, variando de 15% a 25%.
3. Há uma grande variação na geração de energia elétrica de acordo com o clima do local e a época do ano, podendo ter uma grande atenuação durante o inverno em locais distantes da linha do Equador (Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina e Chile, por exemplo) e em locais com frequente cobertura espessa de nuvens (Londres, por exemplo).
4. No caso da energia fotovoltaica, não existe produção durante a noite, o que torna necessário meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia (aplicável em menor escala).
5. As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas às capacidades de conversão de energia dos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás) e das usinas hidroelétricas (água).
6. Impacto socioambiental: a retirada da matéria prima das células fotovoltaicas, a mineração do silício, tem impactos para o solo e para a água subterrânea da área de extração, além de ser oferecer riscos aos trabalhadores. A Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer (Iarc) aponta, em relatório, que a sílica cristalina (principal matéria-prima dos painéis fotovoltaicos) é cancerígena, podendo causar câncer de pulmão ao ser cronicamente inalada.

Aproveitamento térmico

Outra forma de aproveitamento de radiação solar é o aquecimento térmico: um processo de absorção da luz solar por coletores, que são normalmente instalados nos telhados das edificações e residências (conhecidos como painéis solares). Neste processo não é utilizado o princípio do efeito fotovoltaico, logo os painéis não possuem células fotovoltaicas, mas vale ser explicado aqui, visto que usa energia solar!

Como a incidência de radiação solar sobre a superfície terrestre é baixa, é necessário instalar alguns metros quadrados de coletores. Segundo a ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), para atender o suprimento de água aquecida em uma residência de três a quatro moradores, são necessários 4 m² de coletores. Apesar da demanda por esta tecnologia ser predominantemente residencial, também existe o interesse de outros setores, como edifícios públicos, hospitais, restaurantes e hotéis.

Continue pesquisando!

Para os interessados em continuar estudando essa área tão importante e atual da nossa sociedade, nós, do Energia Inteligente, separamos alguns links que explicam de maneira mais formal alguns dos tópicos abordados nesta matéria.

1. Smart Grid
2. Resolução 482/2015
3. Mercado de Energia
4. Geração distribuída
5. Bairro alemão que gera 4x mais que necessita

 

 

 

 

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