Energia fotovoltaica: converso de energia solar em electricidade1 Miguel C. Brito, Jos A. Silva

Faculdade de Cincias da Universidade de Lisboa

A energia solar fotovoltaica, converso de energia solar em electricidade, uma fonte de electricidade

limpa pois o seu funcionamento no tem emisses indesejveis, e renovvel, devido natureza

inesgotvel do sol. Tem, alm disso, outras vantagens como o longo tempo de vida dos seus

equipamentos (da ordem dos 30 anos), a sua baixa manuteno (s preciso prestar alguma ateno aos

acumuladores) e as suas modularidade e portabilidade. Neste artigo descreve-se o princpio de

funcionamento das clulas fotovoltaicas e alguns aspectos da sua integrao em sistemas de

electricidade solar. Abordar-se-o ainda alguns aspectos que por vezes parecem ensombrar as virtudes

da energia solar elctrica, nomeadamente a eficincia de converso e o tempo de retorno energtico.

Efeito fotovoltaico

O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmund Becquerel, que produziu uma

corrente elctrica ao expor luz dois elctrodos de prata num electrlito2. Em 1877, W.G. Adams e R.E.

Day construram a primeira clula solar baseada em dois elctrodos de selnio que produziam uma

corrente elctrica quando expostos radiao3 mas a eficincia destes sistemas era to reduzida que o

desenvolvimento de clulas solares realmente interessantes teve que esperar por uma compreenso mais

completa dos materiais semicondutores. S em 1954, D.M. Chapin e colaboradores, do Bell Laboratory,

nos Estados Unidos da Amrica, publicaram o primeiro artigo sobre clulas solares em silcio ao mesmo

tempo que registavam a patente de uma clula com uma eficincia de 4.5%4.

Figura 1: Extracto da patente da primeira clula solar, registada em Maro de 1954 por D.M. Chapin e

colaboradores do Bell Laboratories.

1 Artigo publicado na revista O instalador, Julho 2006 2 E. Becquerel, Memoires sur les effets electriques produits sous l'influence des rayons, Comptes Rendues 9 (1839) 561 3 W.G. Adams, R.E. Day, The action of light on selenium, in Proceedings of the Royal Society, A25, 113 4 D.M. Chapin, C.S. Fuller, G.L. Pearson, A New Silicon p-n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power, Journal of Applied Physics 25 (1954) 676; D.M. Chapin, C.S. Fuller, G.L. Pearson, Solar Energy Converting Apparatus, Patente US2780765

Uma clula fotovoltaica simples consiste basicamente num dodo de grande rea, i.e. um substrato de

material semicondutor onde criado um campo elctrico interno permanente (chamado juno pn).

Quando a radiao atinge um tomo do semicondutor este liberta um electro que pode ser conduzido

pelo campo elctrico interno para os contactos, contribuindo assim para a corrente produzida pela clula

fotovoltaica.

O material de eleio para as clulas fotovoltaicas o silcio cristalino. As razes para esta escolha esto

associadas s caractersticas nicas deste material, nomeadamente a sua abundncia no planeta (cerca de

30%, no conjunto dos elementos que constituem a crosta terrestre), a sua no-toxicidade, o facto de ser a

matria-prima da industria electrnica (e portanto ter sido alvo de uma investigao extraordinariamente

detalhada nas ltimas dcadas) e uma srie de vantagens tcnicas (em particular hiato apropriado

radiao solar, baixo coeficiente de segregao de metais, facilmente dopavel, xido passivante, etc).

A maior desvantagem das tecnologias baseadas no silcio cristalino o facto de exigirem espessuras de

clulas relativamente elevadas (cerca de 0.2 mm em vez de 0.001 mm para as clulas com filmes finos)

com o consequente aumento de custo das matrias primas por unidade de rea de painel. Este problema

tem-se sentido especialmente porque o crescimento explosivo do mercado fotovoltaico, em particular em

pases como Alemanha e Japo, levou a um excesso de procura e quase ruptura dos stocks de silcio

cristalino5 em 2006-2007. No entanto a industria respondeu rapidamente e esto j anunciados, ou em

fase de instalao, vrias projectos de produo em larga escala de silcio cristalino apropriado para a

fabrico de clulas solares (a que se chama habitualmente silcio solar). Naturalmente, outras tecnologias

fotovoltaicas, como os referidos filmes finos que podem ser de silcio amorfo, cdmio-telrio (CdTe) ou

cobre-ndio-desilenio (CuInSe2 ou CIS) tm aproveitado esta janela de oportunidade para gradualmente

se introduzirem no mercado, embora s correspondam a uma pequena fraco do mercado global

fotovoltaico.

Sistemas fotovoltaicos

A clula solar fotovoltaica o elemento essencial da converso da radiao solar em energia elctrica.

Cada clula individual, com cerca de 100mm2, gera aos seus terminais uma tenso entre 0.5 e 1 V, com

uma corrente tpica em curto circuito de algumas dezenas de miliampres. Esta intensidade da corrente

razovel mas a tenso demasiado pequena para a generalidade das aplicaes pelo que normalmente as

clulas so montadas em srie em em painis solares, com 28 a 36 clulas, gerando tenses DC da ordem

dos 12V em condies padro de iluminao. Estes mdulos fotovoltaicos podem ser utilizados

individualmente ou montados em srie e/ou em paralelo, de modo a obterem-se maiores tenses e/ou

correntes, conforme as necessidades da aplicao em concreto.

Uma vez que a energia elctrica gerada por um sistema fotovoltaico intermitente e imprevisvel, j que

depende no s das variaes dia/noite mas tambm das condies climatricas, na grande generalidade

das aplicaes necessrio prever alguma forma de armazenamento e/ou gerao auxiliar de

electricidade. No caso de existir localmente uma ligao rede de distribuio de electricidade, a soluo

mais simples consiste em fornecer rede elctrica o excedente produzido, disponibilizando-a para outros

5 Uma das possveis vtimas deste estrangulamento do mercado, devido ao excesso de procura, pode ter sido a Shell Solar, que no incio de 2006 acabou por alienar a diviso de fotovoltaico em silcio cristalino por, alegadamente, no poder garantir o fornecimento de matria prima.

consumidores, e utilizar electricidade fornecida pela rede elctrica sempre que o sistema no gerar energia

elctrica (nomeadamente no perodo nocturno) 6.

Para pequenos sistemas, para aplicaes como sistemas de telecomunicaes ou sistemas domsticos

isolados de pequenas dimenses (SHS, Stand alone systems), a soluo mais comum para acumular a

electricidade fotovoltaica baseada em baterias electroqumicas, tradicionalmente de chumbo ou de

nquel-cdmio. Este tipo de baterias pode acrescentar um custo significativo ao preo do sistema e exige

custos de manuteno mais ou menos regulares.

Existem outros tipos de solues, apropriadas para sistemas de maiores dimenses, que so denominadas

sistemas de armazenagem de electricidade de grande capacidade. A destacam-se, pela sua simplicidade,

os sistemas de bombeamento de gua. Durante os perodos de pouca procura utiliza-se a electricidade

fotovoltaica excedente para bombear gua de um reservatrio a baixo nvel para um outro reservatrio

mais elevado. Durante os perodos em que a procura maior, esta gua que foi bombeada para o

reservatrio mais elevada pode ser utilizada para actuar em turbinas, reconvertendo a energia potencial

gravtica em energia elctrica. A eficincia deste processo de converso da ordem dos 60%, o que

significa que cerca de 2/3 da electricidade original recuperada.

A electricidade tambm pode ser armazenada sob a forma de ar comprimido. Esta tcnica mais

complexa do que a dos sistemas de bombeamento de gua mas apresenta algumas vantagens relevantes,

nomeadamente uma maior densidade energtica (exigindo portanto reservatrios mais pequenos, para

uma mesma capacidade) e maior flexibilidade para o local de instalao (existindo projectos de

demonstrao utilizando reservatrios subterrneos).

A acumulao de electricidade fotovoltaica baseada no hidrognio tambm muita vezes apresentada

como uma soluo interessante, sobretudo num futuro a mdio prazo. O hidrognio como vector

energtico tem a vantagem de poder ser transportado economicamente por pipeline, podendo ser utilizado

para voltar a produzir energia elctrica em clulas de combustvel. As eficincias de converso, limitadas

pelo rendimento da electrlise, so para j o grande bice ao desenvolvimento desta alternativa.

Existem ainda outros processos de acumulao de energia elctrica, como sistemas magnticos

supercondutores ou sistemas de armazenamento de energia mecnica (flywheel) embora estas paream ser

solues intrinsecamente mais dispendiosas.

Nos sistemas fotovoltaicos mais simples os painis solares so ligados directamente carga, fornecendo

electricidade quando se verificam as condies adequadas de iluminao. o caso de bombeamento de

gua com motores DC. Subindo o nvel de complexidade, em seguida temos os sistemas com acumulador

de energia elctrica, sem sistemas auxiliares de gerao. Neste caso necessrio introduzir um regulador

de tenso para evitar a sobrecarga das baterias em caso de perodos de muita iluminao. Em aplicaes

que exijam corrente alternada, a corrente DC que sai dos painis deve ser convertida em corrente AC, o

que realizado utilizando um inversor. O inversor pode ainda ajustar a tenso de sada mais apropriada

aplicao em causa, usualmente produzindo tenses de 220V-AC. Finalmente, os sistemas fotovoltaicos

podem ainda incluir um sistema auxiliar de gerao de electricidade (que pode ser uma ligao rede

elctrica) para superar situaes de deficiente iluminao.

6 Num prximo artigo, onde se abordaro algumas questes de carcter econmico da energia solar fotovoltaica em Portugal, propomo-nos esclarecer o procedimento, e dificuldades burocrticas e administrativas, para a ligao rede elctrica.

Figura 3: Sistema fotovoltaico. O controlador serve no s de interface entre os diversos componentes do

sistema mas pode ainda ter outras funes como regulador de tenso para proteco das baterias, controlo

da operao do sistema gerador auxiliar (backup) e adaptador/inversor de tenso mais adequada carga.

Eficincia de converso

A eficincia de converso, ou rendimento, de uma clula fotovoltaica definido como o quociente entre a

potncia da luz que incide na superfcie da clula fotovoltaica e a potncia elctrica disponvel aos seus

terminais. A termodinmica impe um limite mximo taxa da eficincia da converso fotovoltaica

(como de resto a todos os processos de transformao de energia) e a prpria arquitectura das clulas

fotovoltaicas reduz ainda mais a eficincia mxima das clulas.

A actual recordista mundial de eficincia de converso fotovoltaica uma clula GaInP/GaInAs/Ge da

Spectrolab, com 39% de eficincia7. Para clulas de silcio, o valor mximo obtido de 24.4%8. Estas

clulas de alta eficincia so dispositivos que requerem uma tecnologia muito complexa como, por

exemplo, processos especiais de texturizao da superfcie, para reduzir a reflectividade da clula, ou a

criao de campos elctricos na traseira da clula para reduzir a recombinao. As clulas produzidas a

nvel industrial apresentam eficincias tpicas da ordem dos 15%.

A relativamente baixa eficincia de converso fotovoltaica das clulas solares por vezes apresentada

como a principal razo para a fraca implementao da energia solar elctrica. Trata-se de uma afirmao

pouco fundamentada pois, por um lado, so muitos os exemplos de processos e dispositivos com

eficincias comparveis (por exemplo a eficincia dos motores de combusto interna, com um sculo de

desenvolvimento tecnolgico, apresentam eficincias da ordem dos vinte por cento). Por outro lado,

atendendo a que o combustvel dos painis fotovoltaicos a radiao solar, abundante e gratuita, a

nica implicao da relativa baixa eficincia a necessidade, para se obter uma determinada potncia

elctrica, ser necessria uma maior rea de painis.

A pergunta que ento nos ocorre naturalmente : qual ser a rea necessria para produzir a electricidade

que precisamos9 ? Comecemos por considerar a radiao solar mdia em Portugal, que 1500

kWh/m2/ano. Assumindo um eficincia de converso de 15% temos 225 kWh/m2/ano de electricidade

solar. Como o consumo nacional da ordem de 4.5x1010 kWh/ano seriam precisos 200 km2 de painis

7 King RR, et al. Pathways to 40% efficient concentrator photovoltaics. Conference Proceedings, 20th European Photovoltaic Solar, Energy Conference, Barcelona, June, 2005; 118123. 8 J. Zhao, A. Wang, M.A. Green, F. Ferrazza, Novel 19.8% efficient honeycomb textured multicrystalline and 24.4% monocrystalline silicon solar cell, Applied Physics Letters 73 (1998) 1991 9 Para uma anlise mais rigorosa ver por exemplo Nonhebel S., Renewable energy and food supply: will there be enough land?, Energy Reviews 9 (2005) 191201

Controlador Carga

Acumulador

Backup

Gerao

solares para produzir toda essa electricidade. Dividindo pelo nmero de habitantes, 10 milhes, significa

que cada portugus precisaria de 20 m2 de painis fotovoltaicos, com a tecnologia actual, para produzir

toda a electricidade que consumimos (no s o consumo domstico individual mas tambm o consumo de

electricidade na industria e nos servios). Esta rea corresponde a cerca de 20% da rea de asfalto nas

estradas nacionais!

Podemos ento concluir que o obstculo expanso da energia solar fotovoltaica no a sua eficincia

mas o custo dos painis (por unidade de energia produzida). Sobre as estratgias para enfrentar o

problema do custo debruar-nos-emos num prximo artigo.

Figura 4: Distribuio geogrfica da irradiao solar anual mdia, medida na horizontal. Portugal ,

depois do Chipre, o pas da Unio Europeia com maior exposio solar. [Fonte: PVGIS - Geographical

Assessment of Solar Energy Resource European Communities, 1995-2006]

Tempo de retorno energtico

Um outro aspecto que ciclicamente regressa ao debate da energia solar fotovoltaica o chamado tempo

de retorno energtico, ou seja, a afirmao de que a energia que se gasta para produzir um painel solar

mais do que a energia que ele vai produzir ao longo da vida. Se assim fosse, os painis solares elctricos

seriam na verdade consumidores de energia, e consequentemente emissores de gases de efeito de estufa

que dizem tentar combater.

Esta afirmao no tem qualquer fundamento. O tempo de retorno energtico10 para os painis solares

elctricos tpicos em condies standard de iluminao da ordem de 2 ou 3 anos o que significa que,

atendendo a que o tempo mdio de vida de um painel solar de pelo menos 30 anos, o painel ir produzir

ao longo da sua vida cerca de dez vezes mais energia do que aquela que foi gasta no seu fabrico.

Naturalmente que isto significa que um sistema fotovoltaico mal instalado, por exemplo numa fachada

vertical que no esteja convenientemente exposta radiao solar, vai levar mais anos a recuperar o

investimento energtico (e monetrio!) que foi feito para o seu fabrico e instalao.

Figura 5: Fachada sul do Edifcio Solar XXI no INETI, em Lisboa. Inclui sistema fotovoltaico com 76

painis de silcio multicristalino (rea total de 96m2) que ir produzir, em mdia, cerca de 12MWh de

electricidade por ano. O edifcio foi inaugurado em Janeiro de 2006. [Fonte: INETI]

Concluso

Meio sculo depois da primeira clula fotovoltaica moderna, a produo de energia elctrica por

converso da radiao solar hoje uma promissora tecnologia, limpa e renovvel, para a produo de

electricidade. Portugal, em particular, oferece condies exemplares para a utilizao da tecnologia

fotovoltaica para reduzir a sua factura energtica e as suas emisses de gases de efeito de estufa

associadas produo de electricidade utilizando combustveis fsseis.

A utilizao de electricidade solar em mais larga escala est ainda limitada por factores tecnolgicos mas

sobretudo pelo elevado custo por unidade de energia produzida. Num artigo futuro propomo-nos abordar

os meios para ultrapassar estes obstculos.

10 Para uma anlise rigorosa ver Erik Alsema, Energy payback time and CO2 emissions of PV systems, Prog. Photovolt. Res. Appl 8 (2000) 17-25 ou Vasilis Fthenakis, Photovoltaics Energy PaybackTimes, Greenhouse Gas Emissions and External Costs:2004early 2005 Status, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2006; 14:275280

Como se fazem clulas solares

O silcio que se utiliza para fabricar clulas solares provm do dixido de silcio que o principal

composto da areia. O material derretido em grandes fornos e, depois de purificado com fluxo de

oxignio, solidifica em grandes lingotes. O grau de pureza da ordem de 98 ou 99%. Cerca de um milho

de toneladas deste material (chamado Silcio Metalrgico) so produzidas anualmente, sobretudo para as

industrias dos ferros e dos alumnios.

Um pequena parte deste material (alguns milhares de toneladas) passa por um segundo processo de

purificao, por destilao, de modo a produzir silcio ultrapuro para a industria electrnica (chamado

Silcio Semicondutor). O grau de pureza da ordem de 99.9999%.

A industria electrnica, assim como a industria das clulas solares, precisa no s de silcio muito puro

mas tambm que este se encontre em forma cristalina, com muito poucos defeitos. Segue-se portanto um

processo de cristalizao. Existem diversas tecnologias, distintas e concorrentes, que produzem

monocristais (um lingote com um s cristal), multicristais (um lingote com vrios cristais, numa

amlgama de cristais com orientaes diferentes) ou fitas de silcio multicristalino (finas folhas de

silcio j com a espessura necessria).

Em seguida, procede-se ao corte dos lingotes em pequenas fatias, ou bolachas (wafers) com algumas

dcimas de milmetro de espessura, onde se vai produzir a clula solar.

O processo de fabrico das clulas em si consiste essencialmente em dois passos. Primeiro faz-se a

deposio dos dopantes para criar a juno pn (o campo elctrico intrnseco clula, que vai recolher as

cargas produzidas pela radiao no silcio) e depois procede-se deposio dos contactos elctricos na

superfcie da clula, para enviar essas cargas para o sistema que se pretende alimentar (ou eventualmente

um acumulador).

As clulas so depois montadas em srie num mdulo e encapsuladas, para proteco mecnica e

isolamento elctrico.