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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA

CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

FONTES DE ENERGIA NÃO CONVENCIONAIS: ENERGIA

SOLAR

SÉRGIO VIDAL GARCIA OLIVEIRA

DANIEL GUSTAVO CASTELLAIN

JEFFERSON CARLOS FISCHER

JOINVILLE

2015

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ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Insolação diária, média anual (horas) ...................... 6

Figura 2 – Variação da radiação solar no Brasil ....................... 7 Figura 3 – Potência instalada de células fotovoltaicas no

mundo (MW) ............................................................................. 8 Figura 4 – Célula de silício monocristalino ............................ 10 Figura 5 – Célula de silício policristalino ............................... 11

Figura 6 – Silício amorfo ........................................................ 13

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ............................................................ 4

1.1 MOTIVAÇÕES .............................................................. 4

1.2 HISTÓRICO ................................................................... 4

1.3 FUNDAMENTOS .......................................................... 5

1.4 RADIAÇÃO SOLAR ..................................................... 5

1.5 EVOLUÇÃO DO USO DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA .................................................................... 7

1.6 GERANDO CALOR E ELETRICIDADE .................... 8

1.6.1 Calor .......................................................................... 8

1.6.2 Gerando eletricidade ................................................ 8

2 REFERÊNCIAS ......................................................... 14

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1 INTRODUÇÃO

Neste capítulo serão apresentadas algumas informações

com relação a energia solar.

1.1 MOTIVAÇÕES

O aproveitamento da energia gerada pelo Sol,

inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de

calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das

alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos os

desafios do novo milênio.

E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol

é responsável pela origem de praticamente todas as outras

fontes de energia. Em outras palavras, as fontes de energia são,

em última instância, derivadas da energia do Sol.

1.2 HISTÓRICO

A conversão de energia solar em energia elétrica foi

verificada pela primeira vez por Edmond Becquerel, em 1839

onde constatou uma diferença de potencial nos extremos de

uma estrutura de material semicondutor quando exposto a luz

[1].

Em 1876 foi montado o primeiro aparato fotovoltaico

resultado de estudos das estruturas no estado sólido, e apenas

em 1956 iniciou-se a produção industrial seguindo o

desenvolvimento da microeletrônica [1].

Neste ano a utilização de fotocélulas foi de papel

decisivo para os programas espaciais. Com este impulso, houve

um avanço significativo na tecnologia fotovoltaica onde

aprimorou-se o processo de fabricação, a eficiência das células

e seu peso [1].

Com a crise mundial de energia de 1973/74, a

preocupação em estudar novas formas de produção de energia

fez com a utilização de células fotovoltaicas não se restringisse

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somente para programas espaciais, mas que fosse intensamente

estudados e utilizados no meio terrestre para suprir o

fornecimento de energia [1].

1.3 FUNDAMENTOS

A energia solar chega a Terra nas formas térmica e

luminosa. Segundo o estudo sobre Outras Fontes constante do

Plano Nacional de Energia 2030, produzido pela EPE, sua

irradiação por ano na superfície da Terra é suficiente para

atender milhares de vezes o consumo anual de energia do

mundo. Essa radiação, porém, não atinge de maneira uniforme

toda a crosta terrestre. Depende da latitude, da estação do ano e

de condições atmosféricas como nebulosidade e umidade

relativa do ar [3].

Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da

energia solar manifesta-se sob a forma de luz visível de raios

infravermelhos e de raios ultravioleta. É possível captar essa

luz e transformá-la em alguma forma de energia utilizada pelo

homem: térmica ou elétrica. São os equipamentos utilizados

nessa captação que determinam qual será o tipo de energia a

ser obtida [3].

1.4 RADIAÇÃO SOLAR

O Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre,

1,5 x1018 kWh de energia. Trata-se de um valor considerável,

correspondendo a 10000 vezes o consumo mundial de energia

neste período.

Este fato vem indicar que, além de ser responsável pela

manutenção da vida na Terra, a radiação solar constitui-se n

uma inesgotável fonte energética, havendo um enorme

potencial de utilização por meio de sistemas de captação e

conversão em outra forma de energia (térmica, elétrica, etc.)

[1].

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A Figura 1 contempla a insolação diária, média anual,

em horas, no cenário nacional.

Figura 1 – Insolação diária, média anual (horas)

Fonte: Figura obtida de [2].

Assim como ocorre com os ventos, o Brasil é

privilegiado em termos de radiação solar. O Plano Nacional de

Energia 2030 reproduz dados do Atlas Solarimétrico do Brasil

e registra que essa radiação varia de 8 a 22 MJ (megajoules)

por metro quadrado (m²) durante o dia, sendo que as menores

variações ocorrem nos meses de maio a julho, variando de 8 a

18 MJ/m². Além disso, complementa o estudo, o Nordeste

possui radiação comparável às melhores regiões do mundo

nesta variável, como a cidade de Dongola, no deserto do

Sudão, e a região de Dagget, no deserto do Mojave, Califórnia.

O que, porém, não ocorre com outras localidades mais

distantes da linha do Equador, como as regiões Sul e Sudeste,

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onde está concentrada a maior parte da atividade econômica. A

Figura 2 a seguir ilustra esta variação.

Figura 2 – Variação da radiação solar no Brasil

Fonte: Figura obtida de [3].

1.5 EVOLUÇÃO DO USO DE ENERGIA SOLAR

FOTOVOLTAICA

A Figura 3 apresenta a evolução da potência solar

instalada no mundo de 1992 a 2007 para produção de

eletricidade. Na mesma figura, a Tabela 5.5 contempla a

participação relativa dos países. Assim como ocorreu no

segmento da energia eólica, também na energia solar a

Alemanha é a maior produtora, com 49% da potência total

instalada.

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Figura 3 – Potência instalada de células fotovoltaicas no

mundo (MW)

Fonte: Figura obtida de [3].

1.6 GERANDO CALOR E ELETRICIDADE

Se for utilizada uma superfície escura para a captação, a

energia solar será transformada em calor. Se utilizadas células

fotovoltaicas (painéis fotovoltaicos), o resultado será a

eletricidade.

1.6.1 Calor

Os equipamentos necessários à produção do calor são

chamados de coletores e concentradores – pois, além de

coletar, às vezes é necessário concentrar a radiação em um só

ponto. Este é o princípio de muitos aquecedores solares de

água [3].

1.6.2 Gerando eletricidade

Para a produção de energia elétrica existem dois

sistemas: o heliotérmico e o fotovoltaico.

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1.6.2.1 Heliotérmico

A irradiação solar é convertida em calor que é utilizado

em usinas termelétricas para a produção de eletricidade. O

processo completo compreende quatro fases: coleta da

irradiação, conversão em calor, transporte e armazenamento e,

finalmente, conversão em eletricidade.

Para o aproveitamento da energia heliotérmica é

necessário um local com alta incidência de irradiação solar

direta, o que implica em pouca intensidade de nuvens e baixos

índices pluviométricos, como ocorre no semi-árido brasileiro

[3].

1.6.2.2 Fotovoltaico

A transformação da radiação solar em eletricidade é

direta. Para tanto, é necessário adaptar um material

semicondutor (geralmente o silício) para que este, na medida

em que é estimulado pela radiação, permita o fluxo eletrônico

(partículas positivas e negativas).

Todas as células fotovoltaicas têm, pelo menos, duas

camadas de semicondutores: uma positivamente carregada e

outra negativamente carregada, formando uma junção

eletrônica [3].

Quando a luz do sol atinge o semicondutor na região

dessa junção, o campo elétrico existente permite o

estabelecimento do fluxo eletrônico, antes bloqueado, e dá

início ao fluxo de energia na forma de corrente contínua [3].

1.6.2.3 Tipos de células

As células fotovoltaicas são fabricadas, na sua grande

maioria, usando o silício (Si) e podendo ser constituída de

cristais monocristalinos, policristalinos ou de silício amorfo.

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1.6.2.3.1 Monocristalinos

A célula de silício monocristalino é historicamente a

mais usada e comercializada como conversora direta de energia

solar em eletricidade e a tecnologia para sua fabricação, é um

processo básico muito bem constituído.

Este silício para funcionar como células fotovoltaicas

necessita de outros dispositivos semicondutores e de um grau

de pureza maior, devendo chegar à faixa de 99,9999%.

Dentre as células fotovoltaicas que utilizam o silício

como material base, as monocristalinas são, em geral, as que

apresentam as maiores eficiências.

As fotocélulas comerciais obtidas com o processo

descrito atingem uma eficiência de até 15% podendo chegar

em 18% em células feitas em laboratórios [2].

Figura 4 – Célula de silício monocristalino

Fonte: Figura obtida de [2].

1.6.2.3.2 Policristalinos

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As células de silício policristalino são mais baratas que

as de silício monocristalino por exigirem um processo de

preparação das células menos rigoroso.

A eficiência, no entanto, cai um pouco em comparação

as células de silício monocristalino.

Podem ser preparadas pelo corte de um lingote, de fitas

ou depositando um filme num substrato, tanto por transporte de

vapor como por imersão. Nestes dois últimos casos só o silício

policristalino pode ser obtido.

Cada técnica produz cristais com características

específicas, incluindo tamanho, morfologia e concentração de

impurezas. Ao longo dos anos, o processo de fabricação tem

alcançado eficiência máxima de 12,5% em escalas industriais

[2].

Figura 5 – Célula de silício policristalino

Fonte: Figura obtida de [2].

1.6.2.3.3 Silício Amorfo

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Uma célula de silício amorfo difere das demais

estruturas cristalinas por apresentar alto grau de desordem na

estrutura dos átomos.

A utilização de silício amorfo para uso em fotocélulas

tem mostrado grandes vantagens tanto nas propriedades

elétricas quanto no processo de fabricação.

Por apresentar uma absorção da radiação solar na faixa

do visível e podendo ser fabricado mediante deposição de

diversos tipos de substratos, o silício amorfo vem se mostrando

uma forte tecnologia para sistemas fotovoltaicos de baixo

custo.

Mesmo apresentando um custo reduzido na produção, o

uso de silício amorfo apresenta duas desvantagens: a primeira é

a baixa eficiência de conversão comparada às células mono e

policristalinas de silício; em segundo, as células são afetadas

por um processo de degradação logo nos primeiros meses de

operação, reduzindo assim a eficiência ao longo da vida útil.

Por outro lado, o silício amorfo apresenta vantagens que

compensam as deficiências acima citados, são elas:

processo de fabricação relativamente simples e

barato;

possibilidade de fabricação de células com

grandes áreas;

baixo consumo de energia na produção.

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Figura 6 – Silício amorfo

Fonte: Figura obtida de [2].

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2 REFERÊNCIAS

[1].CRESESB. Energia solar princípios e aplicações. Disponível em:

<http://www.cresesb.cepel.br/download/tutorial/tutorial_solar_2006

.pdf>. Acesso em: 11/04/ 2012.

[2].CRESESB. Energia solar princípios e aplicações. Disponível em:

<http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/Atlas_Solarim

etrico_do_Brasil_2000.pdf>. Acesso em: 11/04/ 2012.

[3].ANEEL (Brasil). Atlas de energia elétrica do Brasil / Agência

Nacional de Energia Elétrica. 3ed. Cap. 5 p. 78 – Brasília : Aneel,

2008. 236 p. : il.