PAINEL FOTOVOLTAICO DE BAIXO CUSTO Jaqueline de Oliveira ...
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PAINEL FOTOVOLTAICO DE BAIXO CUSTO Jaqueline de Oliveira Gama Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. RIO DE JANEIRO FEVEREIRO DE 2014
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PAINEL FOTOVOLTAICO DE BAIXO CUSTO
Jaqueline de Oliveira Gama
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Elétrica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
RIO DE JANEIRO
FEVEREIRO DE 2014
ii
PAINEL FOTOVOLTAICO DE BAIXO CUSTO
Jaqueline de Oliveira Gama
PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO
ELETRICISTA.
Examinada por:
__________________________________
Prof. Jorge Luiz do Nascimento, Dr. Eng.
(Orientador)
__________________________________
Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D
__________________________________
Júlio César Ferreira de Carvalho, M. Sc
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
FEVEREIRO DE 2014
iii
Gama, Jaqueline de Oliveira
Painel Fotovoltaico de Baixo Custo/ Jaqueline de Oliveira Gama. –
Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2014.
xii, 66 p.:Il.; 29,7 cm.
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de
Engenharia Elétrica, 2014.
Referências Bibliográficas: p.63-66
1. Geração de Energia Solar Fotovoltaica. I. Nascimento, Jorge Luiz
do. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia Elétrica. III. Título.
iv
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por ter me abençoado em toda minha trajetória
e me dado força em todos os momentos. E a Nossa Senhora que intercedeu por mim em
todas as horas.
Aos meus pais, dedico todo esse trabalho, por sonharem comigo e terem feito o
possível e o impossível para que pudesse chegar até aqui. Sem vocês nada disso seria
possível. Obrigada pelo amor incondicional, apoio, compreensão e paciência em todos
os momentos.
À minha irmã, pela parceria nessa jornada e na vida. Obrigada pelas palavras de
incentivo e pelo apoio, inclusive na revisão deste trabalho.
Ao meu orientador Jorge Luiz, pelo carinho e paciência com que sempre
buscava conduzir o projeto, mostrando sempre sua experiência com simplicidade.
Lembrarei com saudade das conversas e conselhos.
Aos professores do Departamento de Engenharia Elétrica pela dedicação com
que transmitem seu conhecimento. E aos demais funcionários, sempre atenciosos para
resolver os nossos problemas.
Dedico também aos meus queridos amigos, que me acompanharam e
incentivaram durante todo curso. O carinho de vocês foi fundamental.
“Entrega teu caminho ao Senhor, confia Nele e Ele o fará.” Sl 37,5
v
RESUMO
A necessidade de tornar a matriz energética mais limpa tem impulsionado o
desenvolvimento das fontes alternativas. A obtenção de energia de forma sustentável é
um dos benefícios deste tipo de geração, no entanto altos custos, em alguns casos, são
empecilhos para o aumento da participação como fonte de energia elétrica.
A energia solar fotovoltaica ainda possui custo de geração bastante alto, em
relação a tipos convencionais, devido principalmente ao preço dos painéis solares. Isto
porque o processo de manufatura dos mesmos ainda é bastante alto, embora estímulos
para utilização de energia fotovoltaica venham contribuindo para a redução nestes
custos.
No presente trabalho é apresentado o processo de fabricação do painel
fotovoltaico comercial e mostra a montagem sustentável de um módulo com o objetivo
de reduzir os custos do mesmo. Ao fim são apresentados os resultados dos ensaios que
comprovam que o protótipo apresenta características compatíveis com os módulos
tradicionais.
Palavras-chave: Energia, Solar, Fotovoltaica, Fontes Renováveis, Geração de Energia.
vi
ABSTRACT
The need to make the cleanest energy matrix has driven the development of
alternative sources. Obtaining energy sustainably is one of the benefits of this type of
generation, however high costs in some cases are obstacles to increased participation as
a source of electricity.
Solar PV still has fairly high cost of generation compared to conventional types,
mainly due to the price of solar panels. This is because the process of their manufacture
is still quite high, although incentives for use of photovoltaic energy will contribute to
reducing these costs.
In this paper we present the manufacturing process of commercial photovoltaic
panel and shows the sustainable mount a module in order to reduce its cost. After the
test results that demonstrate that the prototype features compatible with the features
traditional modules are presented.
Keywords: Energy, Solar, Photovoltaic, Renewable Source, Energy generation.
vii
“Não, não pares! É graça divina começar bem.
Graça maior prosseguir na caminhada certa, manter
o ritmo... Mas a graça das graças é não desistir,
podendo ou não, embora aos pedaços chegar até o
fim!”
DOM HÉLDER CÂMARA
viii
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 1
1.1 Objetivo .................................................................................................................................. 2
2 PANORAMA DAS FONTES RENOVÁVEIS....................................................................... 4
2.1 FONTES RENOVÁVEIS ..................................................................................................... 4
2.1.1Biomassa e Biogás ............................................................................................................... 4
2.1.2 Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCH)......................................................................... 6
2.1.3 Energia Eólica ..................................................................................................................... 8
2.1.4 Energia Solar ...................................................................................................................... 9
2.1.4.1 Energia Termo Solar ....................................................................................................... 10
2.1.4.2 Energia Fotovoltaica....................................................................................................... 11
2.2 Fontes Renováveis: incentivos para expansão .................................................................. 12
3 ENERGIA SOLAR: HISTÓRIA E ESTADO DA ARTE .................................................. 19
4 CARACTERÍSTICAS DA CÉLULA FOTOVOLTAICA ................................................. 22
4.1 Estrutura Atômica.............................................................................................................. 22
4.2 Modelo da Célula Fotovoltaica ........................................................................................... 28
5 MOTIVAÇÃO E PROPOSTA PARA REDUÇÃO DE CUSTOS ..................................... 33
5.1 Desenvolvimento Técnico ................................................................................................... 40
5.1.1 Localização da instalação .................................................................................................. 41
5.1.2 Cálculo do consumo de carga ............................................................................................ 42
5.1.3 Especificações do Sistema Fotovoltaico ............................................................................ 42
5.2 Proposta ................................................................................................................................ 47
5.3 Ensaios .................................................................................................................................. 49
6 PAINEL CONVENCIONAL E PROTÓTIPO .................................................................... 53
7 CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 60
REFERÊNCIA ......................................................................................................................... 62
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1-Sistema de conversão em usina termelétrica à biomassa [2] ....................................... 5
Figura 2.2 Sistema de conversão do biogás [1] ............................................................................. 6
Figura 2.3 Sistema de PCH [4]...................................................................................................... 7
Figura 2.4 Evolução global da capacidade instalada de painéis fotovoltaicos entre 2000-2012
[44] .............................................................................................................................................. 15
Figura 2.5 Crescimento da Matriz Energética brasileira no período de 2010 a 2020 [10] .......... 17
Figura 3.1 Gerald Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller e a primeira célula solar, no Bell ....... 20
Figura 4.1 - Ligação covalente composta por semicondutores [13] ............................................ 23
Figura 4.2 Retículo cristalino formado pelo silício [13] ............................................................. 23
Figura 4.3 Semicondutor. A lacuna de energia entre a banda de valência cheia e a de condução é
muito pequena, de modo que alguns elétrons podem ser excitados nas temperaturas ambientes
até a banda de condução, deixando buracos na banda de valência. [Elaboração Própria] .......... 24
Figura 4.4 - Sensibilidade ao Espectro de Luz [14] .................................................................... 25
Figura 4.5 - Diagrama representando um conjunto de átomos de silício, e uma impureza
pentavalente central, gerando um elétron livre. [Elaboração Própria] ........................................ 26
Figura 4.6 - Diagrama representando um conjunto de átomos de silício, apresentando um átomo
central trivalente, gerando uma lacuna na rede. .......................................................................... 27
Figura 4.7 - Célula fotovoltaica elementar [Elaboração Própria] ................................................ 27
Figura 4.8 - Característica I-V da célula de um diodo de silício [Elaboração Própria]............... 27
Figura 4.9 - Célula fotovoltaica e modelo equivalente ideal alimentando uma carga Z ............. 27
Figura 4.10 Efeito da intensidade luminosa na curva I-V [16] ................................................... 30
Figura 4.11 Influência da resistência em paralelo (Rp) na curva I-V [36] .................................. 32
Figura 4.12 Influência da resistência em série (Rs) na curva I-V [36] ............................... 32
Figura 4.13 Influência da resistência em paralelo (Rp) na curva I-V [36] .................................. 32
Figura 5.1 – Gráfico da evolução dos preços do Módulo Fotovoltaico no período de 2001 a 2011
[37] .............................................................................................................................................. 38
Figura 5.2 – Gráfico da evolução de preços de Módulos e Sistemas fotovoltaicos no período de
2001 a 20115 [37] ........................................................................................................................ 38
Figura 5.3 Sistemas Fotovoltaico para configuração isolada [43] .............................................. 40
Figura 5.4 Curva de Consumo da Carga durante o ano [39] ....................................................... 40
x
Figura 5.5 Diagrama de blocos e conexões de ensaio conforme norma IEC 904-3 [42] ............ 50
Figura 6.1 Soldagem automática [17] ......................................................................................... 54
Figura 6.2 (a) Terminal positivo da célula. (b) Terminal negativo da célula [Elaboração Própria]
..................................................................................................................................................... 56
Figura 6.3 Processo de soldagem de célula fotovoltaica [Elaboração Própria]........................... 57
Figura 6.4 Camada posterior já soldada [Elaboração Própria] .................................................... 57
Figura 6.5 Interligação entre parte frontal e posterior, soldadas [Elaboração Própria] ............... 58
Figura 6.6 Células Interligadas em série [Elaboração Própria] ................................................... 59
xi
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1 - Evolução da Produção de Energia Elétrica a partir de Fontes Renováveis na UE .. 14
Tabela 2.2 - Evolução da Produção de Energia Elétrica a partir de Fontes Renováveis no Brasil
..................................................................................................................................................... 14
Tabela 2.3 Participação das Fontes de Geração no Brasil (%) .................................................... 18
Tabela 5.1 - Custo de investimento em sistemas fotovoltaicos - Referência Internacional
(US$/kWp) .................................................................................................................................. 34
Tabela 5.2 - Eficiência Típica dos módulos comerciais .............................................................. 34
Tabela 5.3 – Indicativo de preços para sistemas instalados em 2011 (US$/W) [8] ................... 37
Tabela 5.4 – Valores típicos de implantação de usinas geradoras de energia ............................. 39
Tabela 5.5 - Radiação média diária na região do Rio de Janeiro (Santa Cruz) [38] ................... 41
Tabela 5.6 - Consumo mensal de energia em kWh na residência [39] ....................................... 42
Tabela 5.7 - Especificações da Bateria Selecionada ................................................................... 44
Tabela 5.8 - Especificações do Módulo ...................................................................................... 45
Tabela 5.9 - Especificações do Inversor ..................................................................................... 46
Tabela 5.10 - Especificação Controlador de Carga ..................................................................... 46
Tabela 5.11 - Orçamento do Sistema Fotovoltaico ..................................................................... 47
Tabela 5.12 - Comparação de custo entre as alternativas de protótipo ....................................... 48
Tabela 5.13 - Orçamento do Sistema Fotovoltaico com módulos alternativos ........................... 49
xii
SIMBOLOGIA
I0 Corrente de saturação do diodo
ICC Corrente de Curto-circuito
ID Corrente de Descarga
IL Corrente de Carga
IOC Corrente a Vazio
k Constante de Boltzmann (k=1,38x10-23
m2kgs
-2K
-1)
m Fator de idealidade do diodo (diodo ideal: m = 1; diodo real: m>1);
MPPT Maximum Power Point
q Carga do elétron (q=1,6x10-19
C)
RP Resistência em paralelo
RS Resistência em série
T Temperatura absoluta da célula em K (0oC = 273,15K)
V Tensão aos terminais da célula
VOC Tensão a Vazio
VT Potencial térmico VT = KT/q
1
1 INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas a extensa utilização de combustíveis fósseis como fonte
energética tem sido questionada, seja pela característica não renovável, o que
encaminha à escassez em longo prazo ou pela questão ambiental a que este tipo de fonte
vem sendo associado. A necessidade de buscar outras soluções para compor e
diversificar a matriz energética mundial levou ao aumento pela pesquisa e
desenvolvimento das fontes alternativas. O desafio, no entanto, foi tornar tais
tecnologias a preço competitivo no mercado, de tal sorte que pudessem efetivamente
ganhar espaço na matriz energética como fonte de geração de energia elétrica e assim
torná-la mais limpa.
Nesse contexto, ocorreu o desenvolvimento da energia solar fotovoltaica. O
domínio sobre a geração de energia através da radiação solar, já era conhecido há
bastante tempo, contudo, o alto custo para fabricação da célula e sua baixa eficiência,
impediam que este tipo de energia fosse realmente viável. No entanto, os incentivos
governamentais contribuíram para o aumento da produção de painéis, o que afetou
positivamente o custo da fabricação dos mesmos. Em decorrência disso, houve uma
expansão nas áreas de pesquisa em energia fotovoltaica, que contribuiu para o
surgimento de outros tipos de células, com menor custo, porém com menor eficiência,
na tentativa de torna a energia fotovoltaica mais competitiva. Hoje já é possível
encontrar células com valor de cerca de US$2,00/W, comparado aos preços da década
de 1950, que segundo a U.S Energy Information Administration, de aproximadamente
US$80/W, que mostra que o avanço da geração por energia solar contribuiu para a
diminuição dos custos de fabricação.
2
Os painéis fotovoltaicos podem ser utilizados conectados à rede ou em sistemas
isolados. No entanto esse último é o mais aplicado, porque embora seja alto seu custo de
instalação, mostra-se vantajoso comparado aos custos da extensão das redes, por em
geral serem aplicados em regiões de difícil acesso para instalação e manutenção de
linhas de transmissão.
1.1 Objetivo
O presente trabalho tem por objetivo discutir sobre os progressos e obstáculos
para a aplicação dos módulos fotovoltaicos. A partir da análise do desenvolvimento das
fontes renováveis, percebe-se que a energia solar fotovoltaica ainda não apresenta a
expansão compatível com sua capacidade de exploração. Isso porque o custo da
implantação do sistema ainda é elevado – principalmente dos módulos fotovoltaicos –
se comparado às demais renováveis. Em vista disso, buscou-se uma alternativa de
redução de custo, focando no principal gargalo para implantação do sistema, o painel
fotovoltaico. Para isso foi desenvolvido um módulo fotovoltaico utilizando células de
silício – por apresentar maior rendimento – porém propondo possível uma possível
redução de custos do processo através de substituições de itens da fabricação por
materiais reutilizados. Dessa forma, também poderiam ser fabricados por comunidades
carentes como forma de geração de renda e disseminação da tecnologia.
No Capítulo 2, apresenta-se um panorama das fontes alternativas mostrando suas
vantagens e desvantagens; e o motivo do crescimento de desenvolvimento comparando
com a energia solar. No Capítulo 3 mostra-se à evolução das células fotovoltaicas,
expondo os motivos que levaram à redução de custo.
3
No Capítulo 4 há a descrição da modelagem da célula solar, mostrando as curvas
características e os parâmetros da mesma. Já no Capítulo 5 apresenta-se o protótipo do
painel fotovoltaico sustentável, com os ensaios realizados e onde se expõe uma
comparação entre um sistema fotovoltaico orçado com painel convencional e outro com
o painel sustentável, enfocando suas vantagens e desvantagens. E no Capítulo 6 é
apresentado o processo de fabricação do painel fotovoltaico de baixo custo.
4
2 PANORAMA DAS FONTES RENOVÁVEIS
Os recursos utilizados para geração de energia podem ser classificados de duas
formas: não renováveis, onde se enquadram aqueles que apresentam risco de extinção
ou são consumidos com maior rapidez do que a natureza consegue repô-los, como no
caso dos materiais radioativos e do petróleo, com seus derivados. No outro grupo se
enquadram os recursos renováveis cuja utilização não agride ao meio ambiente e a
matéria prima é inesgotável, neste grupo estão sol, vento, água, material orgânico.
Dentre as principais fontes capazes de gerar energia elétrica destacam-se:
2.1 Fontes Alternativas
2.1.1 Biomassa e Biogás
A biomassa é obtida pelo processamento dos resíduos das plantações de soja,
arroz, milho ou cana-de-açúcar. Qualquer matéria orgânica que possa ser transformada
em energia mecânica, térmica ou elétrica é classificada como biomassa. De acordo com
a origem pode ser: florestal (madeira, principalmente), agrícola (soja, arroz e cana de
açúcar, entre outras) e rejeitos urbanos e industriais (sólidos, como o lixo) que são
armazenados nos pátios de biomassa onde passam por um processo de trituração e
secagem como mostra a Figura 2.1. Em seguida são levados a caldeira onde sua queima
gerará energia mecânica suficiente para acionar a turbina do gerador e produzir energia
elétrica.
5
Figura 2.1-Sistema de conversão em usina termelétrica à biomassa [2]
Um dos processos mais comuns de obtenção de biomassa é o biogás, uma
mistura resultante da fermentação anaeróbia de material orgânico encontrado em
resíduos animais e vegetais, lodo de esgoto, lixo ou efluentes industriais, como vinhaça
(resíduo pastoso resultante da destilação da cana-de-açúcar), restos de matadouros,
curtumes e fábricas de alimentos. No caso do biogás a energia química contida em suas
moléculas é convertida em energia mecânica por um processo de combustão controlada
na estação de compressão e queimador. Essa energia mecânica ativa um gerador que a
converte em energia elétrica conforme ilustrado na Figura 2.2.
6
Figura 2.2 Sistema de conversão do biogás [1]
Vantagens:
Pode ser produzido em meios rurais, em que pode contribuir para redução com
custo de energia elétrica das mesmas.
Redução da emissão dos gases de efeito estufa.
Desvantagens:
A quantidade de energia produzida não é constante, não podendo ser utilizada
como principal fonte de energia.
Alto período para recuperação do investimento.
2.1.2 Pequenas Centrais Hidroelétricas (PCH)
De acordo com a ANEEL [2], PCH (Pequena Central Hidrelétrica) é toda usina
hidrelétrica de pequeno porte cuja capacidade instalada seja superior a 1 MW e inferior
a 30 MW. Além disso, a área do reservatório deve ser inferior a 3 km² [4].
Uma PCH típica normalmente opera a fio d'água, isto é, não possui reservatório.
Com isso, em ocasiões de estiagem a vazão disponível pode ser menor que a capacidade
das turbinas, causando ociosidade. Em outras situações, as vazões são maiores que a
7
capacidade de turbinar das máquinas, permitindo a passagem da água pelo vertedouro.
Por esse motivo, o custo da energia elétrica produzida pelas PCHs é maior que o de uma
Usina Hidrelétrica de Energia (UHE), onde o reservatório pode ser operado de forma a
diminuir a ociosidade ou os desperdícios de água.
Entretanto as PCHs são instalações que resultam em menores impactos
ambientais e se prestam à geração descentralizada. Este tipo de hidrelétrica é utilizado,
principalmente, em rios de pequeno e médio porte que possuam desníveis significativos
durante seu percurso, gerando potência hidráulica suficiente para girar as turbinas. As
PCHs são dispensadas ainda de remunerar municípios e estados pelo uso dos recursos
hídricos. Na Figura 2.3 encontra-se a demonstração genérica de uma PCH:
Figura 2.3 - Sistema de PCH [4]
Vantagens:
Padrão de financiamento bem definido;
Preço competitivo.
8
A construção só depende da aprovação da ANEEL, portanto a construção é mais
rápida e com menor impacto social;
Operam a fio d’água: menor impacto ambiental [3].
Desvantagens:
A burocracia para liberação ambiental, embora simplificado, ainda é um entrave
que pode causar atrasos.
As PCHs são boas opções para complementar a necessidade por energia, mas
não podem ser usadas como base da matriz energética.
São prejudicadas com os mesmos problemas regulatórios do restante do sistema
elétrico [4].
2.1.3 Energia Eólica
A energia eólica tem-se firmado como uma grande alternativa na composição da
matriz energética de diversos países. No Brasil, essa fonte de energia tem se mostrado
uma excelente solução na busca de formas alternativas de geração de energia para a
região Nordeste. É uma abundante fonte de energia renovável, limpa e com grande
disponibilidade. A utilização desta fonte de energia para a geração de eletricidade, em
escala comercial, teve início em 1992 e, através de conhecimentos da indústria
aeronáutica, os equipamentos para geração eólica evoluíram rapidamente em termos de
ideias e conceitos preliminares para produtos de alta tecnologia. Atualmente, a indústria
de turbinas eólicas vem acumulando crescimento anual acima de 30% e movimentando
cerca de dois bilhões de dólares em vendas por ano [6].
9
Vantagem:
Regime de vento intenso no período de seca;
Complementar ao parque hídrico;
Baixo tempo de construção [7].
Desvantagens:
Apesar de precisar de pouco espaço, pode ser incompatível com outras
instalações nas proximidades, já que a turbulência que provoca reduz a
produtividade de outros geradores no mesmo alinhamento do vento.
O vento é instável, apesar de se saber que sopra mais durante a noite (período de
menor consumo energético) e no inverno, é difícil prever exatamente quando
começa e quando para.
Mesmo quando existe vento, é preciso que seja estável e que atinja no mínimo a
velocidade de arranque do aerogerador.
Maior altitude da torre permite melhor rendimento, mas dificulta o acesso para
reparos.
2.1.4 Energia Solar
Energia solar é a designação dada a todo tipo de captação de energia luminosa,
energia térmica (e suas combinações) proveniente do sol e posterior transformação
dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente para
aquecimento de água ou ainda como energia elétrica ou energia térmica.
10
2.1.4.1 Energia termo solar
Este tipo de energia está relacionado ao aquecimento de líquidos ou gases pela
absorção dos raios solares. Geralmente empregada para o aquecimento de água para uso
em chuveiros ou gases para secagem de grãos ou uso em turbinas, esta técnica utiliza
um coletor solar que irá captar a energia e um reservatório isolado termicamente onde o
líquido ou gás será acondicionado. O coletor pode ser classificado em dois tipos: coletor
concentrador, que usa dispositivos para concentrar a radiação solar, ou coletor plano.
Vantagens:
Aquecimento de água substituindo o chuveiro elétrico impacta na
redução da conta de energia;
Estufas solares podem ser empregadas em desidratação de frutas com
baixo custo, por exemplo, contribuindo para a redução de desperdício de
alimentos;
Fogões solares podem substituir fogões a lenha e a GLP que provocam
impacto econômico, ambiental e a saúde do usuário.
Desvantagens:
Custo dos concentradores;
Como estão suscetíveis as condições meteorológicas, não pode ser a
única fonte de aquecimento.
11
2.1.4.2 Energia fotovoltaica
Esta forma de energia visa à conversão da energia solar em energia elétrica
através de células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas mais comuns são feitas de
silício que passa por um processo de dopagem para adquirir as características
necessárias. A associação de várias células fotovoltaicas e sua ligação a uma bateria (em
sistemas com armazenamento) gera a energia elétrica que abastecerá o sistema, por um
período, mesmo sem a presença de sol. As células de silício são as mais tradicionais,
mas também as mais caras por conta do custo da etapa de purificação do silício. No
entanto, já existem outros tipos de células fotovoltaicas, como as tecnologias de filme
fino e híbridas; que apresentam menor custo, mas em contra partida apresentam menor
eficiência.
Vantagens:
É possível geração de energia em sistemas isolados ou conectados à rede;
Não emite gases do efeito estufa;
Não há necessidade de gerador;
Não provoca ruído, como no caso da energia eólica;
Manutenção de fácil acesso.
Desvantagens:
É necessária uma área grande, no caso de usinas solares, que permita a
orientação dos painéis sem o risco de sombreamento, que diminui a
produção.
12
Instabilidade na produção devido a condições climáticas, o que pode ser
contornado com o uso de baterias.
Alto investimento inicial.
Essas fontes de energia, chamadas de energia renováveis, têm ganho cada vez
mais espaço na matriz energética mundial, crescendo também a importância em seus
desenvolvimentos. Isto porque nas últimas décadas houve um enfoque maior na relação
entre a geração de energia elétrica e seus impactos ambientais, mas principalmente em
buscar alternativas que diminuam a dependência do petróleo. Neste contexto a energia
solar ganhou grande destaque por sua enorme potencialidade ainda pouco explorada. No
próximo tópico, será apresentado o cenário econômico que levou a incentivos de
desenvolvimento da energia fotovoltaica que vem acarretando na diminuição dos preços
da implantação da mesma.
2.2 Fontes Renováveis: incentivos para expansão
Questionamentos a respeito da escassez dos recursos não renováveis que
respondem a uma larga fatia da matriz energética mundial têm sido levantados.
Algumas afirmações ratificam a abundância de recursos energéticos e que algumas
fontes sozinhas poderiam suprir a demanda mundial de energia, apontando para o
carvão, nuclear, solar, ventos, marés como fontes inesgotáveis. De fato desde a década
de 80, já havia estudos a cerca dos impactos dos gases do efeito estufa, mas foi no início
da década de 90 que o IPCC (Intergovernmental Panelon Climate Change) –
estabelecido em 1988 pela Organização de Meteorologia Mundial (OMM) e Programa
de Nações Unidas para o Meio Ambiente – lançou seu primeiro estudo sobre mudanças
climáticas que indicavam duas tendências principais: o aumento da temperatura global
13
fugia dos padrões conhecidos e a concentração de gases do efeito estufa extrapolava o
padrão histórico conhecido.
Os impactos dessa situação seriam mais negativos que positivos. No entanto, na
época a ligação entre ação humana e elevação de temperatura, e a concentração de gases
de efeito estufa já era considerada uma hipótese possível, porém cercada de dúvidas
pela comunidade científica em geral, tanto que o IPCC classificou como 50% a
probabilidade de tal associação. Desde então, os seguintes relatórios só aumentaram a
porcentagem desta relação, chegando a 95% no relatório de 2007 [7].
O Relatório Stern (2006)1 definiu que se nenhuma medida fosse tomada em
relação às emissões de gases de efeito estufa, o total dos custos das alterações climáticas
era equivalente à perda anual de, no mínimo, 5% do PIB global. Se fosse considerada
uma série de impactos mais amplos, o custo poderia aumentar para 20% ou mais do
PIB. Por outro lado, a adoção de medidas para redução das emissões de gases, buscando
mantê-las próximas dos níveis existentes, seria aproximadamente 1% do PIB global.
Em virtude dessas projeções começou um estímulo a expansão da participação
das fontes alternativas na matriz energética. A União Europeia, em 2001, reconheceu a
necessidade de oficialmente promover as fontes de energias renováveis, considerando
os pontos estratégicos para proteção ambiental e o desenvolvimento sustentável, através
de decreto que previa estabelecer como meta para a Europa a produção de 22% da
energia elétrica consumida a partir de fontes renováveis. Embora a projeção fosse
tímida, houve um aumento da participação na Europa, que passou de 13% em 1991 para
22% em 2010. A Tabela 2.1 apresenta a evolução da produção de energia elétrica a
1
Relatório Stern (2006) é um estudo encomendado pelo governo Britânico sobre os efeitos na economia mundial das alterações climáticas nos
próximos 50 anos.
14
partir de diversas fontes de energia renováveis na UE15, no período de 2002 a 2011 e a
Tabela 2.2 mostra os números no cenário brasileiro.
Tabela 2.1 Evolução da Produção de Energia Elétrica a partir de Fontes Renováveis na UE
Geração de Energia Elétrica na União Europeia (GWh) [8]
2002 2006 2011
Solar Fotovoltaica 282 2.493 44.972
Hidroelétrica 315.035 309.285 306.126
Energia Eólica 36.317 82.301 179.015
Energia das Marés 536 519 534
Tabela 2.2 Evolução da Produção de Energia Elétrica a partir de Fontes Renováveis no Brasil
Geração de Energia Elétrica na Brasil (GWh) [10]
2003 2006 2011
Solar Fotovoltaica 0,02 0,02 0,02
Hidroelétrica 305.616 348.805 428.333
Energia Eólica 61 237 2.705
Nuclear 14 14 15
Percebe-se então que a necessidade de buscar novas fontes de energia vem
crescendo e que a energia renovável apresenta maior confiabilidade. A energia solar
fotovoltaica apresentou forte crescimento entre os países da União Europeia, como
mostra a Figura 2.4, resultado dos incentivos para aplicação e geração de eletricidade
15
através do sol, o que impulsionou também a queda nos custos de instalação das mesmas.
Observa-se que, comparado a outras regiões do mundo, os investimentos neste tipo de
energia foram muitos maiores na Europa, chegando a ser mais de 60% da capacidade
instalada no mundo em 2012. Isso mostra o quanto a UE tem investido na energia
fotovoltaica e que a confiabilidade da mesma vem crescendo.
Figura 2.4 Evolução global da capacidade instalada de painéis fotovoltaicos entre 2000-2012 [44]
No Brasil, no entanto, para o mesmo período não houve grande crescimento
neste setor, visto que uma faixa pouco representativa de energia foi gerada, em
comparação com outras fontes que tiveram grande projeção. A maior parte dos
investimentos em energia fotovoltaica foi realizada em sistemas isolados, segundo a
EPE (Empresa de Pesquisas Energéticas), devido aos custos, priorizou-se a expansão
das PCHs, eólica e biomassa.
16
No que se refere ao Brasil a composição da matriz energética é bem distinta
comparada ao cenário mundial, de acordo com o Balanço Nacional de Energia, para a
geração de energia elétrica mais de 80% da matriz é renovável, com 75% de hidráulica
(em 2011), cenário diferente comparado à produção mundial que detém 18,2% da
matriz proveniente de fontes alternativas, onde 16,3% são oriundas de hidroelétricas.
Incentivos governamentais como Programa de Incentivo às Fontes Alternativas
de Energia Elétrica – PROINFA ajudaram a inserir novos recursos para geração de
energia. Tal iniciativa tem como objetivos principais a diversificação das fontes de
forma a aumentar a segurança no abastecimento e valorizar as características e
potencialidades regionais e locais, com criação de emprego, capacitação e formação de
mão de obra, além da redução das emissões de gases de efeito estufa. Para isso,
estabeleceram como meta, em uma primeira fase, a implantação de 3.300 MW de
capacidade instalada de centrais eólicas, biomassa e pequenas centrais hidrelétricas
(PCH), igualmente divididas entre as referidas fontes.
No Plano Decenal de Energia 20202 percebe-se que a participação das fontes
alternativas (sendo as consideradas neste caso: eólica, PCHs, biomassa oriunda do
bagaço da cana de açúcar) tendem a ter uma projeção maior para o período de estudo. A
Figura 2.5 extraída do mesmo retrata a expansão da capacidade hidrotérmica por tipo de
fonte que deverá ser de 171 GW até o final de 2020. [10]
2Plano Decenal de Energia (PDE) é o estudo sobre o planejamento energético do Brasil publicado pela
Empresa de Pesquisa Energética (EPE) projetado no horizonte de dez anos.
17
Figura 2.5 Crescimento da Matriz Energética brasileira no período de 2010 a 2020 [10]
O resultado da expansão das fontes renováveis, mostrado na Figura 2.5 é
consequência dos empreendimentos do PROINFA, que projeta um crescimento de 137
empreendimentos, sendo: 62 pequenas centrais hidrelétricas (PCH), 21 usinas
termelétricas a biomassa (BIO) e 54 usinas eólicas (EOL). Observa-se que a maior parte
dos empreendimentos foi prevista para a região Sudeste e Centro-Oeste, próxima aos
grandes centros e de maior facilidade de interligação ao SIN (Sistema Interligado
Nacional).
Pelo estudo, espera-se que a participação das fontes alternativas passe de 8%
(2010) para 16% em 2020, conforme a Tabela 2.3, reflexo das entradas, principalmente,
das PCHs e do aumento da geração eólica. É interessante observar que com a entrada
cada vez maior dessas fontes, pode-se observar que haverá uma estagnação na
participação das termoelétricas, o que reforça a confiabilidade da geração renovável.
18
Tabela 2.3 Participação das Fontes de Geração no Brasil (%) [10]
2010 2014 2020
Hidroelétrica 71,7 67 67
Termoelétrica 12,8 19 15
Nuclear 1,9 1 2
PCH, Eólica e
Biomassa 7,4 13 16
Embora o PROINFA incentive a implantação de Fontes Alternativas, foi em
outro programa que a energia solar ganhou maior destaque, no Programa de
Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios (PRODEEM) o qual tinha uma
projeção social voltada para a utilização de fontes alternativas em regiões fora da rede
de distribuição, seguindo a tendência mundial [10], que entre 2000 e 2001, teve taxa de
crescimento para energia fotovoltaica de 40%, superando 300 MW de produção de
módulos fotovoltaicos por ano.
19
3 ENERGIA SOLAR: HISTÓRIA E ESTADO DA ARTE
O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmond
Becquerel que verificou que placas metálicas, de platina ou prata, mergulhadas em um
eletrólito, produziam uma pequena diferença de potencial quando expostas à luz. Mais
tarde, em 1877, dois inventores norte americanos, W. G. Adams e R. E. Day utilizaram
as propriedades fotocondutoras do selênio para desenvolver o primeiro dispositivo
sólido de produção de eletricidade por exposição à luz. Tratava-se de um filme de
selênio depositado num substrato de ferro e com um segundo filme de ouro,
semitransparente, que servia de contato frontal. Apesar da baixa eficiência de
conversão, da ordem de 0,5%, nos finais do século XIX o engenheiro alemão Werner
Siemens comercializou células de selênio como fotômetros para máquinas fotográficas.
A história da energia fotovoltaica teve seu início com a explicação do efeito
fotoelétrico por Albert Einstein em 1905, o surgimento da mecânica quântica e, em
particular, a teoria de bandas e a física dos semicondutores, assim como as técnicas de
purificação e dopagem associadas ao desenvolvimento do transistor de silício.
O engenheiro do Bell Laboratories (Bell Labs), Daryl Chapin (Figura 3.1),
estudava soluções para substituir as baterias que mantinham a rede telefônica remotas
em funcionamento. Em seus estudos, Chapin, havia realizado testes com células solares
de selênio, já conhecidas naquela época por seus resultados muito ruins, com eficiência
máxima inferior a 1%. Porém Gerald Pearson, ao realizar testes com células solares de
silício, verificou que a eficiência de conversão era de cerca de 4%.
20
Figura 3.1 Gerald Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller e a primeira célula solar, no Bell
A história da primeira célula solar, como é conhecida hoje, começou em março
de 1953 quando Calvin Fuller desenvolveu um processo de difusão para introduzir
impurezas em cristais de silício, de modo a controlar as suas propriedades elétricas (um
processo chamado “dopagem”). Fuller produziu uma barra de silício dopado com uma
pequena concentração de gálio, que o torna condutor, sendo silício do tipo P. Seguindo
as instruções de Fuller, o físico Gerald Pearson, mergulhou esta barra de silício dopado
num banho quente de lítio, criando assim na superfície da barra uma zona com excesso
de elétrons livres, chamados silício do tipo N. Na região onde o silício tipo N fica em
contato com o silício tipo P, a junção P-N, surge um campo elétrico permanente.
No entanto, rapidamente se compreendeu que o custo das células solares era
muito elevado, e que a sua utilização só podia ser economicamente competitiva em
aplicações muito especiais, como, por exemplo, para produzir eletricidade no espaço.
Mas, se o desenvolvimento das células solares nos anos sessenta foi, sobretudo,
motivado pela corrida ao espaço, o que levou a células mais eficientes, mas não
necessariamente mais econômicas, foi nessa década que surgiram as primeiras
aplicações terrestres. Esta situação viria a mudar de figura quando, em 1973, o preço do
21
petróleo quadruplicou.
O pânico criado pela crise petrolífera de 1973 levou a um súbito investimento
em programas de investigação para reduzir o custo de produção das células solares.
Algumas das tecnologias financiadas por estes programas revolucionaram as ideias
sobre o processamento das células solares.
É o caso da utilização de novos materiais, em particular o silício policristalino
(em vez de cristais únicos de silício, monocristais, muito mais caros de produzir) ou de
métodos de produção de silício diretamente em fita (eliminando o processo de corte dos
lingotes de silício, e todos os custos associados). Outra inovação particularmente
importante do ponto de vista de redução de custo foi a deposição de contatos por
serigrafia em vez das técnicas tradicionais: a fotolitografia e a deposição por evaporação
em vácuo. O resultado de todos estes avanços foi a redução do custo da eletricidade
solar de 80 US$/Wp para cerca de 12 US$/Wp em menos de uma década.
Do ponto de vista da eficiência de conversão das células solares, a barreira dos
20% de eficiência foi pela primeira vez ultrapassada pelas células de silício
monocristalino da Universidade de New South Wales. A equipe de Dick Swanson
atingiu os 25% de eficiência em células com concentrador.
Foi do resultado de iniciativas de estímulo ao mercado fotovoltaico, como por
exemplo, a lei das tarifas garantidas na Alemanha, que resultou o crescimento
exponencial do mercado da eletricidade solar verificado no final dos anos noventa e
princípios deste século: em 1999 o total acumulado de painéis solares atingia o patamar
do primeiro GW, para, três anos depois, o total acumulado seria já o dobro.
22
4 CARACTERÍSTICAS DA CÉLULA FOTOVOLTAICA
4.1 Estrutura Atômica
A célula solar é a pedra angular para a geração da energia solar. O efeito
responsável pela geração da energia consiste na excitação de um material semicondutor
pela radiação solar. Dessa forma há o aparecimento de uma diferença de potencial nos
terminais do material, o chamado efeito fotovoltaico.
Os materiais classificados como semicondutores são elementos que têm como
característica possuir em sua camada de valência quatro elétrons a baixa temperatura e
que, para serem quimicamente estáveis, necessitam de oito elétrons. Para isso realiza a
chamada ligação covalente. Na ligação covalente (Figura 4.1), cada átomo compartilha
um elétron com o átomo vizinho, o que lhe dá um total de oito elétrons na camada de
valência, adquirindo estabilidade química para formar o sólido. Os elétrons
compartilhados não passam a fazer parte efetivamente do átomo central, portanto,
eletricamente falando, cada átomo ainda continua com quatro elétrons na camada de
valência e quatorze no total (no caso do Silício), ou seja, eletricamente neutro. A
camada de condução, no entanto, é totalmente vazia.
23
Figura 4.1 - Ligação covalente composta por semicondutores [13]
Os átomos de silício se distribuem no sólido formando uma estrutura cúbica,
onde os átomos ocupam os vértices do cubo. Esta estrutura cúbica é normalmente
chamada cristal. É por isso que o sólido de silício é conhecido como cristal de silício.
(Figura 4.2)
Figura 4.2 Retículo cristalino formado pelo silício [13]
Se um elétron da camada de valência receber energia externa como luz, e esta
for maior que a força de atração exercida pelo núcleo, o elétron irá para a chamada
banda de condução. Uma vez na banda de condução, o elétron está livre para se deslocar
pelo cristal, sendo o mesmo chamado de elétron livre. Ao ir para a banda de condução,
o elétron deixa um vazio que é chamado de lacuna. Entretanto entre as duas camadas,
existe uma faixa de energia que o elétron precisa receber para chegar à camada de
24
condução – chamada banda proibida, cujo valor é 1eV (1,60 x 10-19
J) e que, é o valor
de energia que o elétron deve absorver para sair da camada de valência para a de
condução, recebendo o nome de fóton (Figura 4.3).
Figura 4.3 Semicondutor. A lacuna de energia entre a banda de valência cheia e a de condução é
muito pequena, de modo que alguns elétrons podem ser excitados nas temperaturas ambientes até a
banda de condução, deixando buracos na banda de valência. [Elaboração Própria]
O aumento da temperatura melhora a condutividade dos semicondutores devido
à excitação térmica de elétrons da banda de valência para a banda de condução. A
radiação solar não absorvida é, em grande parte, visível. Para o funcionamento das
células solares a faixa de comprimento de onda é entre 390 a 1.100 nm (Figura 4.4), o
que corresponde ao comprimento de onda do visível ao infravermelho ou, em termos de
energia, de 1,1 a 3,1 eV3. Como visto, cada material apresenta uma zona de
sensibilidade à radiação (Figura 4.4). Os materiais semicondutores que apresentam a
banda proibida dentro dessa faixa, como o Silício, Arsenieto de Gálio, Telureto de
Cádmio, Disseleneto de Cobre-Índio-Gálio, entre outros, são os possíveis candidatos
para serem utilizados como camada ativa, ou seja, a camada doadora de elétrons, nestes
dispositivos. A energia da banda proibida está relacionada diretamente com as
características da célula, ou seja, quanto menor a banda, maior a energia que pode ser
absorvida e assim um maior número de portadores (maior a corrente). Da mesma forma,
3E=hc/λ, onde E: energia, h: Constante de Plank, c: velocidade da luz e λ: comprimento de onda.
25
quanto maior a banda proibida do material, maior também será a tensão de circuito
aberto, pois a energia da banda está relacionada com a magnitude do campo embutido
da junção, o qual determina a máxima tensão que a célula pode produzir. Logo, a
melhor relação entre tensão e corrente é obtida em materiais cuja banda se situa entre 1
e 1,8 eV [14].
Figura 4.4 - Sensibilidade ao Espectro de Luz4 [14]
Semicondutores puros não garantem o funcionamento da célula fotovoltaica.
Para isso, é feito o processo de dopagem do material. O processo de dopagem consiste
em introduzir impurezas ao semicondutor puro, a fim de garantir a troca de elétrons.
São realizados dois processos de dopagem, a primeira é a chamada dopagem do
tipo N que consiste em um semicondutor que recebeu átomos pentavalentes, ou seja,
átomos que possuem cinco elétrons na camada de valência. Como é o caso do Silício
(Si) que tem número atômico 14. Sua distribuição eletrônica é 2,8,4; o que significa que
possui quatro elétrons na camada de valência e necessita de quatro elétrons para tornar-
4Espectro AM 1.5 (833 W/m
2)
26
se quimicamente estável. O Fósforo é então utilizado para essa dopagem, cujo número
atômico é 15, e apresenta distribuição eletrônica 2, 8, 5; o que significa que fica com um
elétron em excesso na ligação com o átomo de silício (Figura 4.5).
Figura 4.5 - Diagrama representando um conjunto de átomos de silício, e uma impureza
pentavalente central, gerando um elétron livre [Elaboração Própria]
A segunda dopagem é a chamada dopagem do tipo P obtida através da injeção
de átomos trivalentes no cristal puro. Para essa dopagem utiliza-se o Boro, que tem
distribuição eletrônica 2,3; significa que possui três elétrons de valência e ao ser
adicionado quimicamente ao Si, fica com um elétron desemparelhado – o que significa
uma lacuna, como ilustrado na Figura 4.6.
P Si Si
Si
Si
27
Figura 4.6 - Diagrama representando um conjunto de átomos de silício, apresentando um átomo
central trivalente, gerando uma lacuna na rede [Elaboração Própria]
Desta forma obtemos junção SiP chamada junção (-), pois existe um excesso de
elétrons desemparelhados. E uma junção SiB, junção (+), pois existe um déficit de
elétrons. O fato de haver duas camadas estabelece uma diferença de potencial que fará
com que os elétrons livres se movam gerando um campo elétrico. Neste processo, são
utilizados materiais semicondutores como o silício, o arsenieto de gálio, telurieto de
cádmio ou disselenieto de cobre e índio. A célula de silício cristalino é a mais usual.
Na presença de luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons que a integram chocam-
se com os elétrons da estrutura de silício, dando-lhes energia e consequentemente
transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado na junção P-N, os
elétrons são orientados e fluem da camada P para a camada N (Figura 4.7).
Figura 4.7 - Célula fotovoltaica elementar [Elaboração Própria]
Silício tipo p
Silício tipo n
++++
-----
B Si Si
Si
Si
28
4.2 Modelo da Célula Fotovoltaica
A junção P-N assemelha-se a um diodo, pois a utilização de uma diferença de
potencial com o potencial positivo aplicado no material do tipo P diminui a barreira de
potencial e possibilita que a corrente atravesse a interface, enquanto que a aplicação de
uma diferença de potencial inversa aumenta a barreira de potencial e não possibilita a
passagem de corrente. A Figura 4.8 ilustra a curva característica de um diodo de silício.
Figura 4.8 - Característica I-V da célula de um diodo de silício [Elaboração Própria]
O modelo de célula não é nada mais, nada menos que uma fonte de corrente,
cuja expressão da corrente que atinge a carga é dada pela equação (4.1)
1)( 0
TmV
V
SDS eIIIIAI (4.1)
Onde
I0: representa a corrente de saturação do diodo e m representa o fator de idealidade do
diodo, entre 1 e 2.
I
VD
Zona de Condução Zona de Bloqueio
0,7
29
q
kTVVT )( (4.2)
k: constante de Boltzmann (k=1,38x10-23
m2kgs
-2K
-1)
T: temperatura (em K)
q: carga do elétron (q=1,6x10-19
C)
O comportamento da célula, quando não está na presença de luz, pode ser
representado pelo circuito equivalente de um diodo e corresponde à curva I-V.
Figura 4.9 - Célula fotovoltaica e modelo equivalente ideal alimentando uma carga Z
A expressão (4.3) indica qual a variação da corrente ID que circula através de um
diodo quando aplicada uma diferença de potencial aos terminais deste igual a V (Figura
4.9), é a chamada Equação de Shockley
10
TmV
V
D eII (4.3)
Em que
I0: é a corrente inversa máxima de saturação do diodo;
ID
I
Z IS V
30
V: é tensão aos terminais da célula;
m: é o fator de idealidade do diodo (diodo ideal: m = 1; diodo real: m>1);
VT: é designado por potencial térmico (Equação 4.2);
T: é a temperatura absoluta da célula em K (0oC = 273,15K);
q: é a carga elétrica do elétron (q=1,6x10-19
C).
Ao ser iluminada, surgirá uma corrente elétrica (IS) gerada pela absorção dos
fótons que será proporcional a radiação solar. Quanto maior a intensidade da incidência
luminosa sobre a célula fotovoltaica, maior o deslocamento da curva I-V sobre o seu
eixo de referência com mostrado na Figura 4.10.
Figura 4.10 Efeito da intensidade luminosa na curva I-V [16]
Os dois parâmetros alcançados da interceptação da curva com o sistema de eixos
para uma dada radiação e temperatura, permitem descrever uma célula fotovoltaica de
uma determinada área e designam-se por corrente de curto-circuito, ICC (V=0) em que
ICC= IS (4.5)
31
A tensão máxima nos terminais da célula por tensão em circuito aberto é VOC (I=0), em
que
(4. 6)
Em resumo pode-se afirmar que a célula se comporta como diodo quando
escurecida, havendo condução no 1o quadrante e quando sob radiação solar comporta-se
como fonte de corrente. No entanto no modelo real da célula (Figura 4.11), são
consideradas também as perdas RP e RS detalhadas a seguir.
Figura 4.11 - Modelo real de célula fotovoltaica [Elaboração Própria]
- Resistência em série (RS): esta é a resistência da própria célula, composta pela
resistência elétrica do material e a resistência dos contatos metálicos, denominadas de
perdas por efeito Joule.
- Resistência em paralelo (RP): resistência do processo de fabricação e
caracteriza as correntes parasitas que circulam na célula devido, principalmente, a
pequenas imperfeições na estrutura do material.
Estas resistências são responsáveis pelo rebaixamento da curva característica da
célula solar, logo quanto mais elevado RS e mais baixo RP provocam a redução na
corrente de curto-circuito ICC (Figura 4.12) e na tensão de circuito aberto VOC (Figura
4.13). A corrente é determinada através da expressão (4.7):
32
P
SV
IRV
SPDSR
IRVeIIIIIAI T
S
1)( 0 (4.7)
Figura 4.12 Influência da resistência em série (Rs) na curva I-V [36]
Figura 4.13 Influência da resistência em paralelo (Rp) na curva I-V [36]
33
5 MOTIVAÇÃO E PROPOSTA PARA REDUÇÃO DE CUSTOS
Como dito anteriormente, o custo de implantação de sistema fotovoltaico é ainda
um entrave para a expansão do uso desse tipo de energia. Medidas governamentais, no
entanto, visam estimular um maior desenvolvimento do mercado para a energia solar.
De acordo com o estudo da EPE [11], através de referências internacionais, o custo de
investimento em sistemas fotovoltaicos pode ser decomposto em três principais itens: os
painéis solares, o inversor e a estrutura – que engloba as estruturas mecânicas de
sustentação, equipamentos elétricos auxiliares, cabos e conexões para instalação e
montagem. Por causa dos incentivos de produção, os painéis solares têm apresentado
constante redução de preços para os módulos de silício cristalino e também as células de
filme fino. Atualmente o custo do sistema fotovoltaico é 60% dos painéis solares, cerca
de 10% referente ao inversor e o restante à estrutura.
Para análise de custo do sistema fotovoltaico foram adotados os valores
encontrados na Tabela 5.1, para estimativa de custo no mercado internacional, onde se
pode perceber que o custo do módulo representa a maior parte do investimento
fotovoltaico.
34
Tabela 5.1 - Custo de investimento em sistemas fotovoltaicos - Referência Internacional (US$/kWp)
[11]
Potência Painéis Inversores
Instalações e
Montagem
Total
Residencial (4-6kWp) 2,23 0,57 0,7 3,50
Residencial (8-10kWp) 2,02 0,50 0,63 3,15
Comercial (100kWp) 1,74 0,42 0,54 2,70
Industrial (>1000kWp) 1,60 0,30 0,48 2,38
Nota: Preço com impostos nos seus mercados de origem. [11]
Para tornar a energia solar mais competitiva comparada a outras fontes, é
necessário investir em pesquisas que reduzam o preço do módulo fotovoltaico. Nesse
sentido, estudos têm sido feitos buscando novos tipos de célula que sejam de custo mais
baixo e que apresentem boa eficiência, como apresentado Tabela 5.2, porém, apesar do
maior preço, as células de silício cristalino apresentam maior eficiência.
Tabela 5.2 Eficiência Típica dos módulos comerciais [16]
Tecnologia Eficiência Área/kWp
Sil
ício
Cri
stali
no
Monocristalino 13 a 19 % ~7m2
Policristalino 11 a 15% ~8m2
Fil
mes
Fin
os
Silício Amorfo (a-Si) 4 a 8 % ~15m2
Telureto de Cádmio (Cd-Te) 10 a 11% ~10m2
Disseleneto de Cobre-Indio-
Gálio (CIGS)
7 a 12% ~10m2
35
Uma das vantagens da geração fotovoltaica é a possibilidade de aplicação em
larga ou pequena escala. Isso permite a implementação de sistemas de energia em
localidades afastadas da rede como regiões rurais, populações ribeirinhas e pequenos
vilarejos. Em casos como este, o custo da construção de linhas de transmissão para
fornecer energia elétrica pode ser muito alto e mesmo inviável. A opção pela energia
solar é uma alternativa viável, pois pode ser implantada em sistemas isolados.
Comparando-se as fontes de geração de energia, em geral, as fontes alternativas
apresentam preço mais elevado do que o sistema convencional centralizado de
fornecimento de energia. No entanto, alguns pontos podem reduzir o custo da
transmissão de energia, visto que em geral, a carga encontra-se próximo a ponto de
geração.
Para produzir energia, recursos fósseis necessitam ser extraídos dos poços de
petróleo, transportados até as refinarias onde são preparados para queima, levados às
usinas termelétricas e após a geração de energia, seus resíduos são eliminados. A
utilização das máquinas rotativas, gerador e turbina, necessitam de uma rotina de
manutenção mais complexa devido ao desgaste das peças móveis. A energia solar, em
contra partida, não necessita ser extraída, nem refinada ou transportada para o local de
geração, por ser próximo à carga, evitando custos de transmissão em alta tensão.
Outras questões, porém, permeiam a implantação das fontes alternativas, em
especial, da energia solar; a geração solar fotovoltaica permite a expansão da geração
distribuída, o que diminui o interesse de grandes empresas responsáveis pela geração e
distribuição a quererem investir neste tipo de recurso. Assim, a produção fica sujeita, a
pequenos produtores, o que não alavanca a produção em larga escala de painéis
fotovoltaicos e consequentemente dificulta a redução dos preços e custos de fabricação
dos mesmos. Para incentivar esses produtores, um bom exemplo foi a iniciativa do
36
governo alemão de aprovar a lei de Energias Renováveis (Erneuerbare Energie Gesetz,
EEG), que exige que operadores de energia elétrica paguem um valor mais elevado aos
fornecedores de energia solar do que aos fornecedores de energia tradicional, uma
forma de estimular a geração solar.
O custo dos sistemas fotovoltaicos varia muito e dependem de diversos fatores,
incluindo o tamanho do sistema, localização, tipo de conexão (isolado ou conectado a
rede), especificações técnicas e a extensão até a carga refletem no preço final de todos
os componentes. Em média, os preços para sistemas isolados, também conhecidos como
sistemas com armazenamento, são praticamente o dobro dos de sistemas conectados a
rede. Isso é atribuído ao fato da necessidade de baterias para armazenamento e os
equipamentos associados.
Em 2011, os preços mais baixos para sistemas fora da rede, independente do tipo
de aplicação, tipicamente variavam entre 3,7 US$/W a 7,2 US$/W, de acordo com o
país. A Tabela 5.3 reporta a média de preços para alguns países, baseado na pesquisa da
European Statistics [8], mostra que os valores variam de acordo com o país e aplicação
do projeto. Os preços para sistemas conectados a rede, em 2011, também variaram,
como mostrado na mesma tabela, cerca de 3,6 US$/W foi a média dos preços que
reduziu aproximadamente 17% em relação ao ano anterior. Preços de 2 US$/W
chegaram a ser relatados, porém estes preços podem variar de acordo com a natureza
das construções, o grau de integração com a instalação, de inovação e o tipo de
fabricação dos módulos também influenciam bastante.
37
Tabela 5.3 – Indicativo de preços para sistemas instalados em 2011 (US$/W) [8]
PAÍS SISTEMAS ISOLADOS CONECTADOS A REDE
<1kW >1kW < 10 kW >10 kW
China - - 2,7 2,7
França - - 3,9 2,8-3,6
Suíça 6,9 4,9 4,3 3,9
Estados Unidos - - 6,1 3,6-4,8
Israel 7,0 7,0 3,5 3,0
Alemanha - - 2,8-3,5 2,5
Austrália 6,2-15,5 7,2-20,6 3,1-4,1 2,6-4,1
Itália 6,9-9,7 - 4,2-4,7 2,6-4,2
Japão - - 6,5 6,5
Em média, o custo com os módulos fotovoltaicos em 2011 foram responsáveis
por 50% dos preços mais baixos apresentados nos sistemas conectados à rede. O preço
médio do módulo nos países relatados foi próximo de 1,38 US$/W, uma queda de 50%
em relação a 2010, seguindo o declínio de 20% relatado no ano anterior. A Figura 5.5
exemplifica a evolução dos preços normalizados para painéis fotovoltaicos de acordo
com a inflação. Na Figura 5.4 podem-se observar os preços reais para sistemas e
módulos no mesmo período.
38
Figura 5.3 – Gráfico da evolução dos preços do Módulo Fotovoltaico no período de 2001 a 20115
[37]
Figura 5.4 – Gráfico da evolução de preços de Módulos e Sistemas fotovoltaicos no período de 2001
a 20115 [37]
5 Identificação dos países não informada pela fonte.
39
Considerando-se o valor de 3,7 US$/W mostram que os valores da energia solar
não são competitivos em relação a outras fontes de energia, como mostra Tabela 5.4,
muito embora, conforme dados relatados pelo Photovoltaic Power System Programme
(PVPS) da International Energy Agency (IEC), esses valores têm reduzido a cada ano.
Tabela 5.4 – Valores típicos de implantação de usinas geradoras de energia [2]
Tipo de Geração Custo de Implantação
ANEEL (US$/W)
Custo de Implantação
CESP/IMT (US$/W)
Termelétrica a Diesel 0,40 a 0,50 0,35 a 0,50
Termelétrica a gás 0,40 a 0,65 0,35 a 0,50
Termelétrica a Vapor 0,80 a 1,00 -
Termelétrica ciclo
combinado
0,80 a 1,00 -
Pequenas Centrais
Hidrelétricas (PCHs)
1,00 -
Geração Eólica 1,20 a 1,50 1,00
Células fotovoltaicas - 3,7 a 7,2
Motivado por essa dificuldade de competitividade dos painéis solares foi
desenvolvido um protótipo com o intuito de criar uma linha de fabricação sustentável
que reduzisse o custo final do módulo utilizando materiais reutilizáveis da construção
civil. A proposta é que fosse possível a montagem desses módulos pelas comunidades
de baixa renda onde possam, além de reduzir os gastos com conta de luz, gerar renda
para essa população.
40
Com base nessa ideia, será apresentada no próximo tópico uma comparação de
custos para um sistema fotovoltaico residencial utilizando painéis disponíveis no
mercado e outro com o painel de baixo custo, apontando a viabilidade do mesmo. Por
fim nos resultados dos ensaios realizados no módulo obtêm-se os parâmetros do mesmo.
5.1 Desenvolvimento Técnico
Neste tópico, será realizado o dimensionamento do sistema fotovoltaico e em
seguida o orçamento do mesmo. O sistema é composto por arranjo fotovoltaico que
representa o conjunto de módulos necessários para abastecer a carga; controlador de
carga que tem a função proteger o banco de baterias de sobrecarga e descargas
profundas; o inversor utilizado para transformar de corrente contínua fornecida pelos
painéis solares para corrente alternada solicitada pelas cargas e o banco de baterias que
tem por função armazenar energia para suprir a carga em períodos em que a radiação é
insuficiente (Figura 5.3).
Figura 5.3 Sistema Fotovoltaico para configuração isolada [43]
41
5.1.1 Localização da instalação
O local de implantação da residência é em Marechal Hermes, localizada na zona
oeste do Rio de Janeiro. As coordenadas geométricas são 22° 51’ 39’’ S e 43° 22’
16’’W. Com estes dados a insolação correspondente durante o ano é obtido na base de
dados do SunData tendo a região mais próxima a região do Rio de Janeiro (Santa Cruz)
(Tabela 5.5).
Tabela 5.5 - Radiação média diária na região do Rio de Janeiro (Santa Cruz) [38]
Radiação Diária média mensal (kWh/m2.dia)
Ângulo Inclinação
JAN
FE
V
MA
R
AB
R
MA
I
JUN
JUL
AG
O
SE
T
OU
T
NO
V
DE
Z
ME
DIA
∆
Plano
Horizontal 0° C 5,86 5,67 5,22 4,06 3,83 3,22 3,78 4,06 4,22 4,86 5,28 5,61 4,64 2,64
Ângulo
igual a
latitude 23° N 5,29 5,41 5,38 4,56 4,76 4,14 4,85 4,76 4,47 4,74 4,85 5,00 4,85 1,27
Maior
média
anual 20° N 5,39 5,48 5,39 4,53 4,67 4,05 4,74 4,70 4,46 4,79 4,93 5,11 4,85 1,43
Maior
mínimo
mensal 34° N 4,83 5,07 5,23 4,62 4,99 4,40 5,15 4,90 4,41 4,50 4,47 4,55 4,76 0,82
A instalação dos painéis é feita com uma inclinação para evitar acúmulo de água
da chuva. Essa inclinação corresponde ao ângulo de latitude da localidade, neste caso
23°. A partir das informações acima se observa que, para radiação máxima de 1.000
W/m2, o tempo de insolação a sol pleno é de HSP é 4,85 horas, ou seja, o período em que
o painel está exposto a maior nível de radiação durante o dia.
42
5.1.2 Cálculo do consumo de carga
O fornecimento de energia deve ser suficiente para abastecer a carga composta
de iluminação interna, televisão, geladeira e computador. Os dados da Tabela 5.6
mostram o consumo da residência durante o ano (Figura 5.4).
Tabela 5.6 - Consumo mensal de energia em kWh na residência [39]
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
215 195 232 197 209 160 157 163 176 170 148 152
Figura 5.4 - Curva de Consumo da Carga durante o ano [39]
O consumo máximo diário de energia da residência é estabelecido por:
diakWhdias
mêskWhCdiário /73,7
30
/232
43
5.1.3 Especificações do Sistema Fotovoltaico
5.1.3.1 Especificações do Banco de Baterias
O banco de baterias deve ser dimensionado de modo que possa suprir a carga em
dias consecutivos que o arranjo fotovoltaico não esteja gerando energia. De acordo com
o SIGFI, o sistema deve ter autonomia por 48 horas. Seguindo esta orientação o sistema
projetado para abastecer o sistema durante dois dias.
O principal tipo de baterias utilizado em sistemas fotovoltaicos é de chumbo-
ácido aberta, em que a profundidade de descarga máxima permitida é de 80% da
capacidade nominal da bateria. Foi adotado o valor de 24 V para a tensão nominal do
sistema fotovoltaico.
kAhV
kWh
V
CC
PH
diadiabateria 32,0
24
73,7/
Dimensionamento de baterias em paralelo:
kAhkAh
Cbateria 8,08,0
232,0
Realizando a escolha da bateria com capacidade de 115 Ah (100 horas), a
quantidade de baterias.
bateriasAh
kAh
elecionadadaBateriaSCapacidade
NecessáriaCapacidadeNPAR 7
115
8,0
Como a tensão da bateria é de 12 V o número de baterias deve ser duplicado para
atender a tensão do sistema, portanto para manter a autonomia são necessárias 14
baterias. As especificações do banco de baterias para este sistema encontram-se na
Tabela 5.7.
44
Tabela 5.7 Especificações da Bateria Selecionada
Características Técnicas
Bateria Estacionária Freedom DF2000 105Ah/115Ah
Capacidade @25°C 94 Ah (10h); 105Ah (20h); 115Ah (100h)
Profundidade de Descarga Máxima 20 %
Observa-se que a bateria apresenta capacidades diferentes para a mesma especificação,
isso porque a capacidade nominal está relacionada à corrente que a bateria é capaz de fornecer
por determinado período.
5.1.3.2 Especificações do Arranjo Fotovoltaico
Para o dimensionamento do arranjo fotovoltaico é considerado o nível de
radiação da localidade onde será instalado o painel, no caso, o Rio de Janeiro onde a
temperatura média é de 32°C e deve ser considerado o fator de correção de eficiência do
painel. Para determinar o número médio de horas de insolação igual a 1.000W/m2, neste
caso projetaremos para condição de sol pleno na região durante o ano, com inclinação
de 23°, desta forma as demais serão também atendidas (Tabela 5.8).
horasmkWh
mkWhSP 85,4
/1
/85,42
2
Para atender a demanda do mês de referência, o sistema fotovoltaico deve
fornecer uma potência de:
kWhoras
kWhP 6,1
85,4
73,7
45
Corrigindo a potência pelo fator de correção obtém-se a potência real
demandada pelo sistema:
kWkW
PR 28,0
6,1
Dimensionando o arranjo para utilização de módulos com potência 240 W, na
mesma faixa do protótipo, teremos a necessidade de utilizar 8 painéis.
Tabela 5.8 Especificações do Módulo
Características Técnicas
Painel Solar Fotovoltaico Policristalino de
240WMartifer Solar – Mprime M240 3R
VOC 37,23 V
ICC 8,47 A
VMP 29,55 V
IMP 8,13 A
PMAX 240 Wp
Tipo de Célula Silício Policristalino
Condição Padrão de Teste: Radiação 1000W/m2; Temperatura da Célula: 25°C; Massa de Ar:1,5.
5.1.3.3 Especificação do Inversor
O inversor deve ser escolhido de acordo com as tensões de entrada e saída do
sistema, neste caso respectivamente, 24 V e 127 V; e a potência demandada, 1,5 kW.
Para essa especificação, foi escolhido o Inversor de Energia Profissional de 3000W
Wagan Tech ProLine cujos dados técnicos estão na Tabela 5.9.
46
Tabela 5.9 - Especificações do Inversor [40]
Características Técnicas
Tensão CA nominal 120 V
Tensão de entrada CC 24 V
Potência de Saída Máxima 3 kW
Frequência 60 Hz
Forma de Onda Saída Senoidal
5.1.3.4 Especificação do Controlador de Carga
O controlador de carga tem a função de proteger a bateria de cargas e descargas
excessiva e facilitar a máxima transferência de potência do arranjo fotovoltaico para a
bateria. A especificação do mesmo deve atender as características da bateria, a tensão e
a corrente do sistema. Para este projeto foi selecionado o Controlador de Carga de 60A
(12/24V) com timer programável EPSOLAR – VS6024N especificado na Tabela 5.10.
Tabela 5.10 Especificação Controlador de Carga [41]
Características Técnicas
Tensão Nominal 12/24 V
Corrente máxima de carga 60 A
5.1.3.5 Levantamento de Custo do Sistema Fotovoltaico Convencional
Realizando um levantamento orçamentário dos itens do sistema fotovoltaico de
forma a atender o dimensionamento, obtemos um custo médio de R$16.464,00, com
módulos convencionais disponíveis no mercado. A seguir, analisaremos a variação do
47
preço do sistema, apresentada na Tabela 5.11, ao utilizarmos o painel sustentável e será
discutida a viabilidade deste projeto.
Tabela 5.11 - Orçamento do Sistema Fotovoltaico [45] e [46]
Custo do Sistema Fotovoltaico
Arranjo Fotovoltaico
(8 painéis de 240W) R$ 8.592,00
Banco de Baterias R$ 7.406,00
Inversor R$ 1.499,00
Controlador de Carga R$ 1.099,00
Total R$ 18.596,00
5.2 Proposta
A proposta do módulo alternativo é a fabricação dos painéis como fontes de
renda para comunidades de baixo poder aquisitivo e que seja utilizado em regiões
carentes onde o custo de energia fornecido pela concessionária seja elevado. Neste caso,
o processo de manufatura usaria materiais reciclados em lugar de alguns componentes
do painel. A Tabela 5.12 lista o custo do painel, comparando a quantidade pela qual
foram comprados os itens do painel.
48
Tabela 5.12 Comparação de custo entre as alternativas de protótipo
Material Preço a
varejo
Preço no
atacado
Substituindo por
reciclados
Célula Fotovoltaica Silício
Policristalino
(1,8W/ 3,6A/0,5V) R$ 5,50 R$ 0,54 R$ 0,54
Caneta Fluxo para célula solar R$ 13,00 R$ 13,00 R$ 13,00
Fita De Estanho Para Células
Solares TabWire 50 m R$ 75,00 R$ 22,00 R$ 22,00
Fita para barramento R$ 4,00 R$ 1,80 R$ 1,80
Conector para painel solar R$ 29,00 R$ 29,00 R$ 29,00
Vidro R$ 100,00 R$ 100,00
R$ 50,00*
*(Substituindo
vidro traseiro por
madeira)
Cola de Silicone R$ 10,00 R$ 4,00 R$ 4,00
Moldura R$ 93,00 R$ 93,00
Substituição por
PVC
Total R$ 423,00 R$ 282,52 R$139,52
Baseados em preços de mercado disponíveis [45] e [46]
Observa-se que, com base nos preços disponíveis no mercado, há a possibilidade
de reduzir o custo de fabricação do painel de forma que seja viável a construção de
painéis de forma sustentável. Sendo então a potência gerada pelo painel correspondente
a 32,4W, o custo para gerar 1 W é 13,06 R$/W no máximo (ou seja, para itens de
varejo) e 4,31 R$/W no mínimo (para produção comunitária em larga escala),
comparando este valor com equivalente encontrado comercialmente para módulos na
mesma faixa, 12,20 R$/W6 percebe-se que o protótipo consegue ser economicamente
viável.
6Cálculos baseados na média de preços para painéis fotovoltaicos de 30W nas seguintes
fontes:minhacasasolar.lojavirtualfc.com.br/ e http://www.neosolar.com.br/loja/
49
No caso do uso residencial destes painéis, retornando ao estudo de caso, a
aplicação do protótipo seria capaz de reduzir o custo final da implantação do sistema,
conforme mostra a Tabela 5.13.
Tabela 5.13 - Orçamento do Sistema Fotovoltaico com módulos alternativos [45] e [46]
Custo do Sistema Fotovoltaico
Arranjo Fotovoltaico
(58 painéis de 32 W) R$ 8.092,16
Banco de Baterias R$ 7.406,00
Inversor R$ 1.499,00
Controlador de Carga R$ 1.099,00
Total R$ 18.096,16
5.3 Ensaios
A determinação das características fotoelétricas dos módulos de silício cristalino
para aplicações terrestres é estabelecida pela Norma Internacional IEC 61215 (1993).
Basicamente, o procedimento baseia-se no registro da curva I-V e a temperatura da
amostra e o registro da corrente de curto-circuito e temperatura de desvio padrão,
concomitantemente, e depois na correção dos valores obtidos, para as condições
desejadas. O esquema de testes, com as devidas conexões está ilustrado na Figura 5.5. É
medida, primeiramente, a corrente de curto-circuito (V=0) e tensão de circuito aberto
(I=0). Em seguida, é inserida uma carga variável nos terminais do módulo a fim de
variar a corrente de saída, deste modo obtém-se os valores correspondentes de tensão e
corrente para diversos pontos.
50
Figura 5.5 Diagrama de blocos e conexões de ensaio conforme norma IEC 904-3 [42]
5.3.1 Resultados dos Ensaios
Os ensaios realizados utilizando procedimentos laboratoriais, ou seja, usando
iluminação artificial para simular a luz solar; no caso, um refletor de lâmpada
fluorescente compacta com potência de 42W e 2860 lumens. Para carga variável, foi
utilizado um reostato em série com uma resistência de 1. Os resultados das medições
encontram-se nos Gráfico 5.1 e Gráfico 5.2 experimentais de I-V e P-V:
51
Gráfico 5.1 Curva Experimental de I-V
Gráfico 5.2 Curva Experimental P-V
Observa-se que através das curvas levantadas, o protótipo do painel fotovoltaico
experimental encontra-se dentro das especificações desejadas, assim como os painéis
comerciais. De acordo com os resultados obtidos, os parâmetros deste painel são:
52
Corrente de curto-circuito (ICC) igual a 8,56 A, tensão de circuito aberto (VOC) igual a
1,792 V. Para os pontos de máxima potência (PMP) fornecida pelo módulo foi de 8,4 W
para tensão correspondente (VMP) 1,35 V.
53
6 PAINEL CONVENCIONAL E PROTÓTIPO
6.1 Painel Convencional
A maioria dos módulos convencionais encontrados no mercado é constituída por
36 células solares de silício. A potência do módulo, sob condições padrão, é variável
desde 10 a 290 W. Em consequência, o dispositivo varia de 0,2 a 1,5 m2. Na montagem
dos módulos tradicionais, após serem soldadas, as células são encapsuladas com a
finalidade de serem isoladas do exterior e protegidas das intempéries, bem como para
darem rigidez ao módulo. O módulo é constituído pelas seguintes camadas: vidro de
alta transparência e temperado, acetato de etilvinilacetato (EVA), células solares, EVA e
filme de fluoreto de polivinila (Tedlar) ou vidro. A seguir, é colocada a moldura de
alumínio, para dar o acabamento e facilitar a instalação. A durabilidade dos módulos é
superior a 30 anos e atualmente está determinada pela degradação dos materiais usados
no encapsulamento, ou seja, a durabilidade das células solares cristalino é bastante
superior.
Para os módulos convencionais a etapa de fabricação tem início com a limpeza
do vidro seguido de uma inspeção (automática e visual). Em seguida, é feito o primeiro
encapsulamento do vidro com aplicação do EVA. A próxima etapa é a inspeção das
células visual com objetivo de detectar possíveis imperfeições e danos nas mesmas.
Em seguida acontece o processo de soldagem automatizado (Figura 6.1) com
fios de cobre muito finos (0,05 mm) de forma a permitir uma ligação flexível. As
fileiras de células soldadas são alinhadas sobre o vidro.
54
Figura 6.1- Soldagem automática [17]
Após todas as fileiras estarem devidamente colocadas, é feita a soldagem das
interconexões. Depois disso, ocorre o segundo encapsulamento do material com nova
camada de EVA fotovoltaica sob a parte traseira das células.
Subsequente inicia-se o processo de preparação para o encapsulamento com a
etapa de laminação. Antes de concluir este processo, porém, é realizado um teste de
eletroluminescência que permite uma análise rigorosa e profunda do módulo
fotovoltaico, uma vez que permite ver defeitos invisíveis a olho nu, como micro-
fissuras, problemas nas células, problemas na soldagem, efeitos da umidade.
No processo de laminação haverá o aquecimento a 145 °C do conjunto vidro,
EVA e células de forma a uni-los permanentemente. Em seguida, aplica-se uma
camada de fita adesiva em torno do painel que receberá a moldura de alumínio. Segue
então a aplicação da caixa de junção na parte posterior do painel, nela encontram-se os
terminais de ligação, bem como o diodo de by-pass, utilizados para proteger o módulo
de danos ocasionados por sombras parciais, evitando que este atue como receptor.
55
Por fim é realizado um teste de funcionamento elétrico e medidas onde são
inspecionadas a corrente de curto-circuito e a tensão de circuito aberto.
6.1.1 Protótipo
O protótipo foi construído utilizando-se células fotovoltaicas de silício
monocristalino, com tensão de 0,5V, dimensões 156x156mm, eficiência de 19%,
contendo três barramentos e vida útil esperada de mais de 25 anos se protegida da
umidade.
A solda foi realizada com fitas recobertas de estanho, e que também ocorreu
com as interligações entre as fileiras. A moldura foi construída por tubos de PVC de 20
mm unindo os dois vidros do painel. Com o intuito de aumentar a vedação e assim a
durabilidade do mesmo, substituiu-se o EVA fotovoltaico pela cola de silicone ao redor
do vidro e em seguida a inserção de fita metálica isolante. Foi inserido por fim um
conector na parte traseira do módulo, que permite a conexão entre os terminais positivo
e negativo, para ligações externas. Além de possuir um diodo que impede a inversão de
corrente.
56
6.1.2 Montagem do Protótipo
Inicialmente, o projeto do painel foi idealizado de forma a obter a maior
potência possível e que o painel fosse de fácil manuseio. Com células de 0,5V cada,
projetou-se um painel com 18 células, totalizando uma tensão do painel de 4V.
As células solares possuem o polo positivo na parte inferior e o polo negativo na
parte superior (Figura 6.2), dessa forma as células devem ser soldadas em série para que
se possa obter a tensão desejada nos terminais do conjunto. As ligações a um circuito
externo podem ser feitas de diversas formas. Podem ser colocadas em um suporte com
contatos de mola que pressionam a parte da frente e de trás, podendo as conexões ser
soldadas, porém a forma mais comum, e que foi utilizada neste protótipo, é através da
soldagem por meio de fios condutores. As células foram conectadas em série de modo a
aumentar a tensão de saída.
Figura 6.2 - (a) Terminal positivo da célula. (b) Terminal negativo da célula [Elaboração Própria]
A soldagem foi feita com fita de solda e caneta de fluxo para célula fotovoltaica,
necessária para melhor fixação da solda na célula. As células solares utilizadas foram de
silício monocristalino. As partes posterior e frontal possuem ranhuras com material
metálico onde é feita a soldagem entre a célula e a fita de solda, que composta por
estanho, material condutor para que seja possível a condução de corrente elétrica pelas
+ -
57
células (Figura 6.3). Em seguida, coloca-se a fita estanhada sob a ranhura, na posição
em que se deseja fixar para então iniciar o processo de solda.
Figura 6.3 - Processo de soldagem de célula fotovoltaica [Elaboração Própria]
O mesmo processo é repetido nas outras duas ranhuras conforme pode ser visto
na Figura 6.4. Isso é feito para que haja contatos redundantes. Assim, o módulo não
falhará se uma ou duas soldas se partirem.
Figura 6.4 - Camada posterior já soldada [Elaboração Própria]
Na parte da frente deve ser feito o mesmo processo de soldagem. É necessário
lembrar que a medida das tiras deve ser o dobro da medida da célula para que seja
possível fazer a ligação entre as células e distanciar a fita de solda das margens da célula
e assim prevenir do risco de colocar em curto a célula no processo de soldagem.
58
As células são então ligadas em série, soldando o terminal positivo (parte
posterior) com o terminal negativo (parte frontal) em cada fileira que é composta de
duas células, de acordo com o projeto (Figura 6.5).
Figura 6.5 - Interligação entre parte frontal e posterior, soldadas [Elaboração Própria]
Depois de finalizar essa etapa, montando as fileiras, realizam-se as
interconexões das mesmas, conectando-se as extremidades de cada fileira com a
seguinte de forma que fiquem em série, ou seja, terminais positivos são conectados com
o negativo da fileira seguinte (Figura 6.6).
59
Os painéis solares comercializados no mercado são constituídos pelas seguintes
camadas: vidro, EVA fotovoltaico, células solares, outra camada de EVA fotovoltaico e
tedlar. O EVA fotovoltaico tem como função proteger as células de degradação causada
pela exposição ao tempo que podem causar como ferrugem nos contatos. Isso é
necessário, já que a ferrugem pode gerar caminhos para correntes indesejadas, criando
perdas no painel. Para este painel, o uso do EVA fotovoltaico não seria viável, isto
porque o EVA é um filme opaco que se torna translúcido ao ser fundido. Para esse
procedimento, no entanto, é necessário o uso de uma máquina para prensar o conjunto e
fundir o filme, o que não estava disponível. Isso, no entanto pode contribuir
negativamente para o tempo de vida útil do mesmo.
Em seguida, construiu-se a moldura. Para isso optou-se por utilizar tubos de
PVC, pela disponibilidade de conseguir este tipo de material em rejeitos de construção
civil, contribuindo para a sustentabilidade do painel e diminuindo o custo, visto que os
painéis convencionais são moldurados de alumínio que aumenta o valor de fabricação
do painel. Como o módulo ficará exposto à ação do tempo, com intuito de contornar
este problema, aplicou-se uma camada de esmalte sintético no tubo de PVC, para
permitir maior durabilidade. Há ainda outro problema a ser solucionado, que era
impedir a entrada de umidade no módulo, que pode danificar as células e a solda, por
isso utilizamos cola de silicone em torno na junção entre o vidro e a moldura.
Figura 6.6 - Células Interligadas em série [Elaboração Própria]
60
7 CONCLUSÃO
Neste trabalho foram apresentados o desenvolvimento e uma discussão sobre a
fabricação de painéis fotovoltaicos sustentáveis, como forma de reduzir o custo do
sistema fotovoltaico abordando as etapas de fabricação das células até ao término do
módulo. Foi apresentado o cenário mundial das aplicações das fontes alternativas, e a
comparação entre a energia solar e as demais fontes. Embora a energia solar seja uma
das formas mais limpas e acessíveis de energia, os custos desta tecnologia ainda são um
dos fortes impedimentos para que a mesma consiga competir no mercado com as outras
fontes de energia.
Apresentaram-se os tipos de células disponíveis no mercado bem como suas
respectivas eficiências, que visam reduzir o custo do painel de forma a tornar a geração
de energia solar mais acessível, visto que este é o maior desafio da geração fotovoltaica.
No entanto, os incentivos governamentais iniciados em diversos países culminaram na
redução dos custos de produção dos módulos, o que possibilitou a inserção desta fonte
na matriz energética mundial. Mostraram-se ainda linhas de estudo para redução de
custo substituindo a célula de silício.
No capítulo 5 foram apontadas as principais barreiras para o crescimento da
geração solar, mostrando o resultado de algumas medidas que estão sendo decisivos
para o desenvolvimento e o aumento da exploração dessa energia. Apresentou-se a
proposta do painel solar sustentável, que visa reduzir os custos da fabricação aplicando
materiais que possam ser reutilizados da construção civil, como vidro, canos de PVC,
de forma que a fabricação do módulo se torne mais acessível. Essa seria uma alternativa
para estimular a fabricação de painéis e aumentar os incentivos à aplicação de energia
61
solar fotovoltaica como geração de energia elétrica em sistemas isolados e ligados à
rede. Em seguida foi elaborado um dimensionamento comparativo de um sistema
fotovoltaico, em que um utilizava painel convencional e o outro o protótipo, de forma a
apontar a viabilidade econômica.
Isso mostra que a energia solar fotovoltaica é uma opção de geração de energia
para sistemas isolados, se os incentivos para a redução dos arranjos continuarem. E
pode também se tornar competitiva em relação às demais fontes alternativas se os
módulos – que representam a maior parte do custo do sistema fotovoltaico –
mantiverem o declínio. No entanto, é importante salientar que as pesquisas a cerca da
fabricação dos painéis, em relação à durabilidade, processo de fabricação e eficiência
devem ser também ampliadas, além das células, para colaborar com a redução do custo
do painel.
O incentivo a pesquisa em fontes alternativas faz com que as mesmas possam se
tornar competitivas com as fontes não renováveis, de forma que possam dividir espaço
na matriz energética mundial, assim tornando-a mais limpa e diversificada. Além da
possibilidade de ampliar a geração de energia em sistemas distantes da rede, o que seria
inviável através de linhas de transmissão.
62
REFERÊNCIA
[1] COELHO, Suani T., VELÁZQUEZ, Sílvia Maria S. G., et al., 2006, “Geração de
Energia Elétrica a partir do biogás proveniente do tratamento de esgoto”. XI Congresso
Brasileiro de Energia (CBE), Rio de Janeiro, Brasil, 16-19 Agosto.
<http://cenbio.iee.usp.br/download/projetos/pure_cbe.pdf>
[2] Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Atlas de Energia Elétrica no
Brasil. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/arquivos/pdf/atlas_par2_cap4.pdf>;
[3] CARDOSO, Bruno M.; Uso da Biomassa como Alternativa Energética, UFRJ, Rio
de Janeiro, 2012, pg. 70;
[4] CERPCH. Vantagens e Desvantagens. Disponível em:
<http://www.cerpch.unifei.edu.br/not01.php?id=2433>
[5] ENERGISA. Sobre as PCHs. Disponível em:
<http://www.energisa.com.br/Geracao/oqueeumapch/default.aspx> (11/07/2013)
[6] PACHECO, Fabiana. Energias Renováveis: Breves Conceitos, Revista Conjectura e
Planejamento, n. 149, pp 4-11, Outubro/2006.
[7] OBSERVATÓRIO DO CLIMA: Disponível em:
<http://www.oc.org.br/index.php?page=Conteudo&id=9&idm=11&mp=3&expanddiv=
menu_1>
[8] EUROPEAN COMMISSION. Eurostat. Disponível em:
<http://epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page/portal/energy/data/database>
[9] EPE. Plano Nacional de Energia 2030. Ministério de Minas e Energia, Brasília,
2007.
[10] EPE. Plano Decenal de Expansão de Energia 2020. Ministério de Minas e
Energia, Brasília, 2011.
63
[11] Tolmasquim, Maurício T., et al., Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz
Elétrica Brasileira. EPE, Ministério de Minas e Energia, Rio de Janeiro, 2012.
[12] AS ENERGIAS RENOVÁVEIS. Disponível em:
<http://www.gstriatum.com/pt/alemanha-o-lider-mundial-em-energia-solar/>
[13] SABER ELÉTRICO. Semicondutores. Disponível em:
<http://www.sabereletrico.com/leituraartigos.asp?valor=36>
[14] LABORATÓRIO DE SISTEMAS INTEGRÁVEIS. Geração e Recombinação.
Disponível em: <http://www.lsi.usp.br/~eletroni/milton/ger_reco.htm>
[15] RAMOS, Cristina de M.Procedimentos para Caracterização e Qualificação de
Módulos Fotovoltaicos. USP, São Paulo, 2006
[16] CEPEL/CRESESB. Manual de Engenharia de Sistemas Fotovoltaicos. Rio de
Janeiro, 2004.
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