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Energia fotovoltaica, a filha de Phos e de Alessandro Volta

Nuno José Ribeiro, advogado, Pós-Graduado em Direito da Energia*

11/06/2024

O modo de produção de energia fotovoltaica está em ascensão nos últimos anos e é um modelo renovável de energia.

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A origem do nome da energia fotovoltaica, cunhada a partir do grego (Phos), que significa “luz”, e de “volt”, a unidade de força eletromotriz, que deriva do apelido do físico italiano Alessandro Volta, inventor da pilha, é conhecida em inglês desde 1849 e explica o que é este tipo de fonte energética, pois esta produz força a partir da luz.

Esse modo de produção de energia está em ascensão nos últimos anos e é um modelo renovável de energia. Contudo é controverso que não gera danos ao meio ambiente, uma vez que os painéis não são isentos de impacto ambiental e também porque, muitas vezes, são instalados em solo arável e que, portanto, poderia ser utilizado para a produção agro-alimentar.

Em termos esquemáticos, falamos da energia elétrica produzida a partir da luz solar, e que pode ser gerada mesmo em dias nublados ou chuvosos. Quanto maior for a radiação solar, maior será a quantidade de eletricidade produzida.

Para conseguir-se este objectivo, usa-se a placa de energia fotovoltaica, que é o equipamento utilizado para captar a energia do sol e iniciar o processo de transformação em energia elétrica.

O painel solar é o equipamento essencial para se gerar energia fotovoltaica, o qual é composto por células fotovoltaicas fabricadas a partir de materiais semicondutores, como o silício, que absorvem a luz do sol e geram energia elétrica pelo efeito fotovoltaico. Não só capta energia solar e converte a luz do sol em energia elétrica. Além disso, é responsável por absorver energia solar e pode gerar eletricidade em duas camadas opostas.

Este painel funciona quando os fótons atingem as células fotovoltaicas, fazendo com que alguns dos elétrons, que circundam os átomos, se desprendam e migrem para a parte da célula de silício que está com ausência de eléctrons, criando uma corrente elétrica chamada de energia solar fotovoltaica.

O painel solar tem como função coletar fótons da luz solar que, ao se colidirem com os átomos de silício ou outro semicondutor do painel solar, geram um deslocamento de eléctrons, criando uma corrente elétrica. Esse fenómeno tem o nome de efeito fotovoltaico.

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O painel solar funciona da seguinte maneira: são coletados fótons da luz solar e, logo, são convertidos em corrente elétrica. Dessa forma, a energia captada por meio das placas solares pode ser utilizada de diversas formas, seja em residências, comércios, indústrias e até mesmo na iluminação externa de espaços públicos. A geração de corrente elétrica pelos painéis solares ocorre quando os fótons (partículas de luz solar) colidem com os átomos do material do painel solar, provocando assim o deslocamento dos elétrons. Este fluxo de elétrons cria uma corrente elétrica, ou o que nós chamamos de energia solar fotovoltaica. O painel solar é composto pelos seguintes componentes:

  • Células fotovoltaicas
  • Vidro fotovoltaico
  • Filme encapsulante para o painel solar (EVA)
  • Backsheet
  • Caixa de Junção (PV - junction box)

A célula fotovoltaica é o elemento central da placa solar. É nela que ocorre uma reação físico-química que transforma a luz do sol em energia elétrica. Feitas de cristal de silício ultra puro estas células representam a maior parte do custo de um módulo fotovoltaico.

Os tipos de painel solar existentes são os seguintes:

  • de silício mono cristalino
  • de silício poli cristalino
  • de silício amorfo (a-Si)
  • de telureto de cádmio (CdTe)
  • de seleneto de cobre, índio e gálio (CIS /CIGS)
  • de Células fotovoltaicas orgânicas (OPV)
  • painel solar híbrido – HJT

A tecnologia mono cristalina é a mais antiga e possui a eficiência mais alta. Os painéis solares de silício mono cristalino (mono-Si) são facilmente reconhecíveis. Possuem uma cor uniforme, indicando silício de alta pureza e cantos tipicamente arredondados. São feitos a partir de um único cristal de silício ultra puro, (lingotes de silício de forma cilíndrica), que é fatiado como um “salame” fazendo assim, lâminas de silício individuais, que são então tratadas e transformadas em células fotovoltaicas.

Cada célula fotovoltaica circular tem os seus “quatro lados” cortados para otimizar o espaço disponível no painel de energia solar mono cristalino e aproveitar melhor a área do painel. O painel de energia solar é composto por uma matriz de células fotovoltaicas em formações de série e paralelo. Actualmente os painéis solares mono cristalinos possuem a eficiência mais alta de entre as tecnologias comercialmente viáveis.

A eficiência dos painéis solares mono cristalinos está hoje entre 15% e 22%. Painéis solares de silício mono cristalino ocupam menos espaço. Uma vez que estes painéis solares possuem uma eficiência maior, necessitam de menos espaço para gerar a mesma quantidade de energia elétrica.

A vida útil dos painéis mono cristalinos é superior a 30 anos e vêm com garantia de 25 anos. Tendem a funcionar melhor do que painéis solares poli cristalinos em condições de pouca luz. Este tipo de painéis tem como desvantagens ser mais caro e gerar desperdício do silício que não é utilizado por causa da forma do painel em si.

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Os primeiros painéis solares à base de silício poli cristalino, que também são conhecidos como polisilício (p-Si) e silício multi-cristalino (mc-Si), foram introduzidos no mercado em 1981. Ambos, mono e poli cristalino, são feitos de silício. A principal diferença entre as tecnologias é o método utilizado na fundição dos cristais.

No poli cristalino os cristais de silício são fundidos em um bloco, preservando, desta forma a formação de múltiplos cristais (daí o nome poli cristalino). Quando este bloco é cortado e fatiado, é possível observar esta formação múltipla de cristais.

Uma vez fundidos, são cortados em blocos quadrados e, em seguida, fatiados em células assim como no mono cristalino, mas é um pouco mais fácil de produzir. São semelhantes aos de um único cristal (mono cristalino) tanto no desempenho como na degradação, excepto que as células são ligeiramente menos eficientes.

Telureto de cádmio é a única tecnologia de painéis solares de película fina que superou o custo/eficiência de painéis solares de silício cristalino em grande parte do mercado mundial de painéis solares. A eficiência de painéis solares com base na tecnologia de telureto de cádmio opera normalmente na faixa de 9-16%.

A First Solar instalou mais de 5 gigawatts (GW) de painéis fotovoltaicos de filme fino com base na tecnologia de telureto de cádmio em todo o mundo. A mesma empresa detém o recorde mundial de CdTe PV com uma eficiência de 16%. As instalações com os painéis de CdTe PV são tipicamente grandes campos solares (grandes usinas de energia solar).

Em comparação com as outras tecnologias de filme-fino acima, as células CIGS (seleneto de cobre, índio e gálio) mostraram o maior potencial em termos de eficiência. Estas células contêm menos cádmio (material tóxico que é encontrado em células de CdTe). A produção comercial de painéis solares CIGS flexível foi iniciado na Alemanha em 2011.

Os índices de eficiência para painéis solares CIGS normalmente operam na faixa de 10-12%, e já existem alguns a serem vendidos no Brasil passando dos 13%. Muitos tipos de células de película fina estão ainda em fase de pesquisa e desenvolvimento, e no futuro poderemos ver algumas soluções interessantes vindas desta tecnologia.

Uma célula fotovoltaica orgânica é um tipo de célula de polímero que usa a electrónica orgânica, um ramo da electrónica que lida com polímeros orgânicos condutores ou pequenas moléculas orgânicas, para absorção de luz e transporte de carga para a produção de eletricidade a partir da luz solar pelo efeito fotovoltaico.

A célula de polímero orgânico foi idealizada há muitos anos como uma tecnologia fotovoltaica flexível, de baixo custo, feita utilizando processos de impressão, máquinas simples e materiais abundantes. Hoje são poucas as empresas que conseguiram levar a produção de células fotovoltaicas (OPV) para uma escala industrial.

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A CSEM fabrica este tipo de células com tecnologia principalmente suíça por meio de um processo industrial (roll to roll) de impressão de células fotovoltaicas orgânicas em substrato leve, flexível e transparente. As eficiências das células orgânicas variam.

Existe uma “nova” tecnologia no mercado conhecida por Heterojunção. Comercialmente falando, a eficiência dos painéis que utilizam esta tecnologia é de 21% a 24%. O processo de fabrico, com algumas diferenças, é similar ao fabrico dos painéis fotovoltaicos mono cristalinos, porém, possuem uma apassivação com camada de Silício Amorfo (a-Si), além de outras particularidades.

Colocando de uma forma simples, este painel produz mais energia por metro quadrado e também funciona muito bem com temperaturas mais altas.

É possível armazenar energia solar fotovoltaica da mesma maneira que a energia elétrica proveniente de outras fontes: por meio de baterias. A bateria para energia solar é um equipamento que integra o sistema solar fotovoltaico, sendo responsável pelo armazenamento da energia solar produzida, a qual será destinada aos momentos em que não há geração, ou seja, durante a noite, ou há pouca geração, como em dias nublados.

Nos sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (on-grid), em casos de queda da rede, a energia também pára de ser fornecida. Isso porque o inversor solar, equipamento capaz de tornar a energia gerada pelos painéis fotovoltaicos própria para consumo, é desligado quando ocorrem quedas ou grandes variações de tensão. Nesses casos de queda elétrica, a bateria solar também irá actuar armazenando a energia solar produzida ao longo do dia. Tais sistemas fotovoltaicos on-grid que possuem baterias de armazenamento são chamados de sistemas híbridos.

A célula solar comercial mais eficiente do mercado até o momento é a Aiko Solar ABC White Hole com índice de conversão de 23,6%, seguida pela LONGi com o módulo Hi-MO 6 que atingiu 23,2% de eficiência em abril de 2023.

Sobre este tema veja-se os seguintes gráficos:

Fonte: https://www.portalsolar.com.br/energia-fotovoltaica.html
Fonte: https://www.portalsolar.com.br/energia-fotovoltaica.html

Um sistema fotovoltaico pode operar com ligação à rede elétrica (on-grid), sem ligação à rede elétrica (off-grid) ou conjugar as duas opções (híbrido).

Vejamos ainda a lista dos maiores produtos mundiais de energia fotovoltaica:

  1. China: 392 GW
  2. EUA 111 GW
  3. Japão 78,8 GW
  4. Alemanha 66,5 GW
  5. Índia 62,8 GW
  6. Austrália 26,7 GW
  7. Itália 25 GW
  8. Brasil 24 GW
  9. Holanda 22,5 GW
  10. Coreia do Sul 20,9 GW

E ainda a Capacidade Instalada Mundial Acumulada em GW:

Fonte: https://www.portalsolar.com.br/energia-fotovoltaica.html

Diga-se ainda que, apesar de os painéis fotovoltaicos serem habitualmente associados aos imóveis, também podem ser usados em veículos. Concretamente, no caso da cidade de Lisboa, “o projet Solar Cars", da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, é um projeto de ciência cidadã que pretende recolher dados experimentais do potencial solar de veículos elétricos para validação de modelos como este” e sobre o qual pode ler mais aqui: https://solarcars.rd.ciencias.ulisboa.pt/sobre/.

Outra situação interessante é o trabalho desenvolvido desde há dois anos por fabricantes de carros solares, tais como a holandesa Lightyear, cujo modelo 2 tem uma autonomia de 800 km e conta com um preço alvo de 40 mil euros, sendo mais vocacionado para o segmento médio e médio superior.

No outro extremo do mercado e também do mesmo país, temos a experiência do Squad Solar, veículo de vocação urbana e dimensões muito reduzidas e com o preço de 6.250 euros.

* O autor escreve no antigo acordo ortográfico.

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