Tecnologia fotovoltaica: noções e limites

A produção de um sistema fotovoltaico é influenciada por vários fatores, climáticos e de ordem técnica 

 Esquema do efeito fotovoltaico

http://www.photovoltaique.info/L-effet-photovoltaique.html

Descoberto em 1839 pelo físico francês Antoine Becquerel, o “efeito fotovoltaico” resulta de choques de fótons da luz em materiais “semicondutores”. 

A célula fotovoltaica é formada por duas camadas desse material superpostas, uma (-) com excesso de elétrons e a outra (+) com déficit de elétrons (figura). A radiação dos fótons é então liberada na célula, transferindo energia aos elétrons que, por sua vez, geram uma diferença de potencial elétrico. Assim se origina a eletricidade solar.

Para gerar energia elétrica em maior quantidade, as células fotovoltaicas são agrupadas em módulos ou painéis. A intensidade da corrente elétrica gerada vai depender principalmente da intensidade da radiação solar e da temperatura. 

A principal matéria prima de uma célula fotovoltaica é o silício, elemento encontrado em abundância, que compõe cerca de 60% da massa da crosta terrestre continental. Apresenta-se na forma cristalina e amorfa, ambas utilizadas na fabricação de células fotovoltaicas. 

Quanto mais puro for o silício, melhor a conversão fotovoltaica da luz solar. Porém, para elevar seu grau de pureza (como o requerido pela indústria eletrônica) é necessário um consumo de energia considerável. 

Daí a tecnologia fotovoltaica à base de silício cristalino ter se consolidado comercialmente perante a tecnologia de silício amorfo. Este último, em compensação, pode ser depositado a baixas temperaturas em películas finas sobre uma grande variedade de substratos, viabilizando células fotovoltaicas. 

É a chamada tecnologia de “filme fino” cuja grande vantagem é poder gerar módulos fotovoltaicos flexíveis (de fácil instalação, já que se moldam à forma do telhado) e menos pesados. Sua desvantagem são os baixos rendimentos, comparados aos de módulos de silício mono ou policristalino. 

Para saber quanta energia um sistema fotovoltaico (vários módulos interconectados) produz é indispensável conhecer a radiação solar incidente no local. Mas não apenas isto. Inúmeros fatores influenciam o funcionamento do sistema e podem causar uma perda de produção importante.

Usina fotovoltaica da Plataforma Solar de Almería, Espanha, de 15 MWp, com tecnologia alemã (Sinosol AG)

http://www.pv-power-plants.com/firmen-2012/sinosol-ag/

Os módulos devem ser posicionados de modo a otimizar a produção fotovoltaica ao longo do ano, maximizando a captação dos raios solares e minimizando o sombreamento.

A potência máxima que um módulo é capaz de fornecer – informada pelo fabricante em “watt-pico” (Wp) – é definida para uma radiação solar incidente de 1.000 W/m² e uma temperatura de 25 ^oC.

 

Se em determinado momento do dia a luz solar irradia as células fotovoltaicas com 500 W/m², a potência do módulo normalmente é reduzida em mais da metade. A variação da potência produzida com a radiação solar é determinada, testando-se os módulos sob diferentes intensidades de luz. 

A temperatura de operação dos módulos é também um fator determinante; quanto mais quente, menor a potência e vice-versa. A variação da potência do módulo com a temperatura deve ser indicada nos dados técnicos do fabricante, na forma de um “coeficiente de temperatura da potência máxima”. 

Por exemplo, um módulo de 250 Wp com coeficiente de temperatura de - 0,4% operando a 35 ^oC produzirá 10 watts a menos. Ao contrário, este mesmo módulo a 15 ^oC vai produzir 10 watts a mais. 

No estágio tecnológico atual, apenas 30% do espectro da radiação (diferentes faixas de onda eletromagnética, como ultravioleta, visível e infravermelho) emitida pelo sol podem ser transformados em energia fotovoltaica. 

Além disso, parte dos fótons dessa “banda eletromagnética útil” excede a capacidade dos elétrons de absorvê-los, sendo desperdiçada na forma de calor. Daí o rendimento máximo de uma célula fotovoltaica de laboratório estar limitada a algo em torno de 27%. 

Rendimento de diferentes tecnologias de módulos de silício policristalino (p-Si), em função da intensidade da energia solar. FONTE: Outdoor evaluation of the energy production of different module technologies. J. Merten et al., 25th European PVSEC, Valencia (Espanha), 2010. Adaptado de Le Journal du Photovoltaïque, nov. 2012.

O tipo de tecnologia de fabricação das células fotovoltaicas é também um fator determinante do funcionamento dos módulos, conforme é mostrado na figura. 

Os dois parâmetros (rendimento e radiação solar) são apresentados em valores “normalizados” para possibilitar a comparação entre os módulos. A “condição padrão” (1.000 W/m² e 25 ^oC) é representada pela cruz azul. Como se observa, o rendimento dos módulos vai diminuindo “exponencialmente” quando a radiação solar incidente vai se afastando da condição padrão. 

Há ainda outros fatores, de menor importância, que acarretam perda na eficiência dos módulos; entre eles, “mismatch” (incompatibilidade de propriedades elétricas de módulos interconectados, fazendo com que o de menor potência prevaleça sobre os demais), degradação nas primeiras horas de exposição ao sol e conexões elétricas entre módulos. 

A perda de rendimento atribuída a tais fatores se situa entre 1 e 3%. O envelhecimento do sistema fotovoltaico também provoca uma queda de sua produção a uma taxa de 0,4 a 0,5% ao ano, para painéis de “boa qualidade”. 

Fontes:

Le Journal du Photovoltaïque, hors-série N^o 8, Novembro de 2012
Métodos de dimensi0namento de sistemas fotovoltaicos: Aplicações em dessanilização, Sandro Jucá e Paulo Carvalho. Espaço Científico Livre Projetos Editoriais (Duque de Caxias: 2013)
http://issuu.com/espacocientificolivre/docs/metodosdedimensionamentodesistemasfotovoltaicos