A palavra “fotovoltaica” foi mencionada pela primeira vez por volta de 1890, e vem das palavras gregas: foto, ‘fos,’ que significa luz, e ‘volt,’ que se refere à eletricidade. Fotovoltaico, portanto, significa luz-eletricidade, descrevendo exatamente a forma como os materiais e dispositivos fotovoltaicos funcionam. A energia fotovoltaica é um método para converter diretamente luz em eletricidade. Um exemplo bem conhecido de fotovoltaicos é a calculadora solar, que utiliza uma pequena célula fotovoltaica para alimentar a calculadora.
Embora às vezes os painéis fotovoltaicos sejam confundidos com sistemas de aquecimento solar de água, que são painéis usados para aquecer água, a fotovoltaica (ou solar fotovoltaico) funciona de uma forma diferente e são usados para gerar eletricidade, não calor. Além disso, eles são frequentemente referidos como painéis solares.
Além disso, ao contrário do pensamento geral, os painéis solares fotovoltaicos não utilizam necessariamente luz solar direta para funcionar, alguma luz é suficiente para que o sistema funcione. Portanto, o investimento em fotovoltaicos garante a eletricidade para edifícios não só durante os longos e ensolarados dias de Verão, mas também durante os dias nublados como os meses de Inverno. Mas é verdade que a eficiência dos painéis é diretamente proporcional à quantidade de luz que recebem, daí que quanto mais forte for o sol, melhor.
Quais são os benefícios da energia fotovoltaica?
Como é popularmente conhecida, a energia do sol é limpa e infinita. A fotovoltaica faz bom uso da energia do sol e converte-a em eletricidade que pode ser utilizada para tornar as casas mais verdes e menos dependentes da rede. Ao contrário da crença popular que sustenta que os painéis solares são caros, você deve ficar feliz em saber que os painéis solares podem realmente economizar seu dinheiro! Existem diferentes subsídios que lhe pagarão pela energia limpa que você produz, fazendo da energia solar um investimento sábio. A incorporação de painéis solares irá eventualmente proporcionar-lhe não só benefícios ambientais, mas também financeiros.
Como funciona a tecnologia fotovoltaica?
Como a fotovoltaica se refere à conversão da luz diretamente em eletricidade, a tecnologia fotovoltaica utiliza materiais com efeito fotoelétrico para produzir energia. Estes são chamados semicondutores. O semicondutor mais popular é o silício, que absorve os fótons da luz e como resultado libera os elétrons dos átomos.
A luz (natural ou artificial) que chega a uma célula fotovoltaica cria um campo elétrico através das camadas do material. Esses elétrons livres podem então ser capturados, resultando em uma corrente elétrica que pode ser usada para produzir eletricidade. Quanto mais luz for absorvida, mais eletricidade será produzida pela energia fotovoltaica. Os painéis solares fotovoltaicos produzem corrente contínua (CC), que é convertida em corrente alternada (CA), a fim de tornar a eletricidade utilizável em electrodomésticos. Se a eletricidade produzida não for utilizada, pode ser convertida de volta para corrente contínua, e exportada de volta para a rede.
O que é uma célula fotovoltaica e um módulo fotovoltaico?
As células solares para fotovoltaicos são feitas de materiais semicondutores, geralmente silício. Quando a luz atinge a célula solar, que tem um campo elétrico com um lado positivo e um negativo, os elétrons são liberados a partir dos átomos. Capturada dentro da corrente elétrica existente da célula fotovoltaica, a eletricidade é produzida.
Se várias células solares estão eletricamente conectadas entre si dentro de uma estrutura de suporte, as pessoas falam de um módulo fotovoltaico, que é projetado para produzir eletricidade a uma determinada voltagem. A combinação de vários módulos fotovoltaicos (ou painéis) é chamada de sistema fotovoltaico, que pode ser simplesmente instalado no topo do telhado existente de um edifício, a fim de lhe fornecer eletricidade.
Que tipos de módulos fotovoltaicos existem?
Um critério fácil que pode ser usado para classificar os módulos fotovoltaicos é se eles estão ou não conectados à rede. Com isto em mente, podemos classificar os painéis em:
Sistemas Fora da Rede: são sistemas que não estão ligados à rede, e são geralmente utilizados para cobrir necessidades eléctricas de edifícios remotos ou casas de férias que não têm acesso à rede pública. Estes painéis são uma opção conveniente, uma vez que não requerem licenças especiais das empresas de distribuição de eletricidade. No entanto, como são 100% independentes, os sistemas fora da rede geralmente requerem um gerador ou baterias adicionais para ter eletricidade quando o sol não está brilhando.
Como os custos dos sistemas de armazenamento de baterias solares estão a diminuir, a opção de sistemas de armazenamento de baterias solares é mais acessível e acessível para um maior número de lares.
Sistemas ligados à rede: estes são sistemas que estão ligados à rede, o que significa que pode utilizar a eletricidade da companhia de eletricidade quando necessitar. Quando não o fizer, pode utilizar a eletricidade gerada pelos seus painéis para seu uso pessoal, e também pode optar por vender tudo, ou o excesso, de volta à rede. Os sistemas ligados à rede não têm qualquer capacidade de backup da bateria.
E quanto à vida útil e manutenção de um módulo fotovoltaico?
Um dos aspectos muito positivos de investir em fotovoltaicos é que o produto tem uma vida útil longa. O número exato depende de diferentes variáveis como a qualidade do painel e as condições climáticas, mas geralmente, elas duram mais de 40 anos. Além disso, os sistemas solares requerem muito pouca manutenção e vêm, em geral, com uma garantia de desempenho de 25 anos.
No entanto, os inversores solares fotovoltaicos, que são os encarregados de converter a energia solar DC em eletricidade AC da rede, podem precisar de ser substituídos após 12 a 15 anos e normalmente vêm com uma garantia de 5 anos.
Aplicações do sistema de energia fotovoltaica
Um sistema fotovoltaico, ou sistema solar fotovoltaico, é um sistema de energia concebido para fornecer energia solar utilizável por meio de energia fotovoltaica. Consiste num arranjo de vários componentes, incluindo painéis solares para absorver e converter diretamente a luz solar em eletricidade, um inversor solar para mudar a corrente eléctrica de CC para CA, bem como a montagem, cablagem e outros acessórios eléctricos. Os sistemas fotovoltaicos vão desde sistemas pequenos, montados no telhado ou integrados em edifícios, com capacidades de algumas a várias dezenas de kilowatts, a centrais eléctricas de grande escala de centenas de megawatts. Hoje em dia, a maioria dos sistemas fotovoltaicos está ligada à rede, enquanto que os sistemas autônomos representam apenas uma pequena parte do mercado.
Sistemas integrados de telhados e edifícios
As matrizes fotovoltaicas são frequentemente associadas a edifícios: ou integradas nelas, montadas nelas ou montadas nas proximidades do solo. Os sistemas fotovoltaicos no telhado são, na maioria das vezes, instalados em edifícios existentes, normalmente montados em cima da estrutura do telhado existente ou nas paredes existentes. Alternativamente, um conjunto pode ser localizado separadamente do edifício, mas conectado por cabo para fornecer energia para o edifício. Os sistemas fotovoltaicos integrados em edifícios (BIPV) são cada vez mais incorporados no telhado ou nas paredes de novos edifícios domésticos e industriais como fonte principal ou auxiliar de energia eléctrica.
Por vezes também são utilizadas telhas com células fotovoltaicas integradas. Desde que haja um espaço aberto no qual o ar possa circular, os painéis solares montados no telhado podem proporcionar um efeito de arrefecimento passivo nos edifícios durante o dia e também manter o calor acumulado durante a noite. Tipicamente, os sistemas de telhados residenciais têm pequenas capacidades de cerca de 5-10 kW, enquanto os sistemas de telhados comerciais muitas vezes chegam a várias centenas de kilowatts. Embora os sistemas de telhados sejam muito menores do que as centrais eléctricas em escala de utilização, eles são responsáveis pela maior parte da capacidade instalada a nível mundial.
Concentradores fotovoltaicos
O concentrador fotovoltaico é uma tecnologia fotovoltaica que, ao contrário dos sistemas fotovoltaicos convencionais de chapa plana, utiliza lentes e espelhos curvos para focar a luz solar em células solares pequenas, mas altamente eficientes, multijunções (MJ). Além disso, os sistemas de concentradores fotovoltaicos utilizam frequentemente seguidores solares e, por vezes, um sistema de arrefecimento para aumentar ainda mais a sua eficiência. A pesquisa e desenvolvimento em curso está melhorando rapidamente sua competitividade no segmento de escala de utilização e em áreas de alta insolação solar.
Coletor solar híbrido térmico fotovoltaico
Os coletores solares híbridos térmicos fotovoltaicos são sistemas que convertem a radiação solar em energia térmica e elétrica. Estes sistemas combinam uma célula solar fotovoltaica, que converte a luz solar em eletricidade, com um colector solar térmico, que capta a energia restante e remove o calor residual do módulo fotovoltaico. A captação tanto da eletricidade como do calor permite que estes dispositivos tenham maior esforço e, portanto, sejam mais eficientes em termos energéticos do que a energia solar fotovoltaica ou solar térmica isoladamente.
Centrais elétricas
Muitas fazendas solares em escala de uso têm sido construídas em todo o mundo. A partir de 2015, a Solar Star de 579 megawatts (MWAC) é a maior central fotovoltaica do mundo, seguida pelo Parque Solar Desert Sunlight e pelo Parque Solar Topaz, ambos com uma capacidade de 550 MWAC, construídos pela empresa americana First Solar, utilizando módulos CdTe, uma tecnologia fotovoltaica de película fina. As três estações de energia estão localizadas no deserto californiano. Muitas fazendas solares ao redor do mundo estão integradas com a agricultura e algumas utilizam sistemas inovadores de rastreamento solar que seguem o caminho diário do sol através do céu para gerar mais eletricidade do que os sistemas convencionais de montagem fixa. Não há custos de combustível ou emissões durante a operação das centrais elétricas.
Eletrificação rural
Países em desenvolvimento onde muitas aldeias estão frequentemente a mais de cinco quilômetros de distância da rede elétrica estão usando cada vez mais a energia fotovoltaica. Em locais remotos na Índia, um programa de iluminação rural tem fornecido iluminação LED com energia solar para substituir as lâmpadas de querosene. As lâmpadas movidas a energia solar foram vendidas ao custo de cerca de alguns meses de fornecimento de querosene. Cuba está trabalhando para fornecer energia solar para áreas que estão fora da rede.
Aplicações mais complexas do uso de energia solar fora da rede incluem impressoras 3D. As impressoras 3D RepRap têm sido alimentadas a energia solar com tecnologia fotovoltaica, o que permite a fabricação distribuída para o desenvolvimento sustentável. Estas são áreas onde os custos e benefícios sociais oferecem um excelente caso para a energia solar, embora a falta de rentabilidade tenha relegado tais esforços para esforços humanitários. No entanto, em 1995, os projetos de electrificação rural solar foram considerados difíceis de sustentar devido à economia desfavorável, à falta de apoio técnico e a um legado de motivos ulteriores de transferência de tecnologia de norte para sul.
Sistemas autônomos
Até cerca de uma década atrás, a PV era usada frequentemente para alimentar calculadoras e dispositivos de novidade. Melhorias nos circuitos integrados e displays de cristal líquido de baixa potência tornam possível alimentar tais dispositivos durante vários anos entre trocas de bateria, tornando o uso de FV menos comum. Em contraste, os dispositivos fixos remotos movidos a energia solar têm sido usados cada vez mais recentemente em locais onde o custo significativo de conexão torna a energia da rede elétrica proibitivamente cara. Tais aplicações incluem lâmpadas solares, bombas de água, parquímetros, telefones de emergência, compactadores de lixo, sinais de trânsito temporários, estações de carga e postos e sinais de vigilância remota.
Solar flutuante
Onde a terra pode ser limitada, a energia fotovoltaica pode ser implantada como solar flutuante. Em Maio de 2008, a Adega Far Niente em Oakville, CA foi pioneira no primeiro sistema “floatovoltaic” do mundo, instalando 994 painéis solares fotovoltaicos em 130 pontões e flutuando-os na lagoa de irrigação da adega. O sistema flutuante gera cerca de 477 kW de potência de pico e quando combinado com um conjunto de células localizadas adjacentes ao lago é capaz de compensar totalmente o consumo de eletricidade da vinícola. O principal benefício de um sistema flutuante é que ele evita a necessidade de sacrificar uma área de terra valiosa que poderia ser utilizada para outro fim. No caso da Adega Far Niente, o sistema flutuante poupou três quartos de um acre que teria sido necessário para um sistema em terra. Essa área de terra pode, em vez disso, ser usada para agricultura. Outro benefício de um sistema solar flutuante é que os painéis são mantidos a uma temperatura mais baixa do que seria em terra, levando a uma maior eficiência na conversão da energia solar. Os painéis flutuantes também reduzem a quantidade de água perdida por evaporação e inibem o crescimento de algas.
No transporte
A energia fotovoltaica tem sido tradicionalmente utilizado para energia eléctrica no espaço. Este tipo de energia raramente é utilizado para fornecer energia motriz em aplicações de transporte, mas está sendo cada vez mais utilizada para fornecer energia auxiliar em barcos e carros. Alguns automóveis são equipados com ar condicionado alimentado por energia solar para limitar as temperaturas interiores em dias quentes. Um veículo solar autônomo teria energia e utilidade limitadas, mas um veículo eléctrico com carga solar permite o uso de energia solar para o transporte. Carros, barcos e aviões movidos a energia solar têm sido demonstrados, sendo os mais práticos e prováveis de serem carros solares. A aeronave solar suíça, Solar Impulse 2, alcançou o maior voo solo sem escalas da história e completou a primeira circum-navegação aérea movida a energia solar do globo em 2016.
Telecomunicação e sinalização
A energia solar fotovoltaica é ideal para aplicações de telecomunicações, como centrais telefônicas locais, radiodifusão de rádio e televisão, microondas e outras formas de ligações de comunicação eletrônica. Isto porque, na maioria das aplicações de telecomunicações, as baterias de armazenamento já estão em uso e o sistema elétrico é basicamente DC. Em terrenos montanhosos e montanhosos, os sinais de rádio e TV podem não chegar, uma vez que ficam bloqueados ou reflectidos devido a terrenos ondulados. Nesses locais, são instalados transmissores de baixa potência (LPT) para receber e retransmitir o sinal para a população local.
Aplicações das naves espaciais
Os painéis solares nas naves espaciais são normalmente a única fonte de energia para o funcionamento dos sensores, aquecimento e arrefecimento activo e comunicações. Uma bateria armazena essa energia para uso quando os painéis solares estão na sombra. Em alguns, a energia também é utilizada para propulsão de naves espaciais – propulsão elétrica. As naves espaciais foram uma das primeiras aplicações da fotovoltaica, começando com as células solares de silício utilizadas no satélite Vanguard 1, lançado pelos EUA em 1958. Desde então, a energia solar tem sido utilizada em missões que vão desde a sonda MESSENGER até Mercúrio, passando pela sonda Juno até Júpiter. O maior sistema de energia solar voado no espaço é o sistema elétrico da Estação Espacial Internacional. Para aumentar a energia gerada por quilograma, os painéis solares típicos das naves espaciais utilizam células solares multi-junção retangulares de alto custo, alta eficiência e fechadas, feitas de arsenieto de gálio (GaAs) e outros materiais semicondutores.
Sistemas de Energia Especializada
A fotovoltaica também pode ser incorporada como dispositivo de conversão de energia para objetos a temperaturas elevadas e com emissividades radiativas preferíveis, tais como incineradores heterogêneos.
O futuro da energia fotovoltaica
Como em qualquer tecnologia, a fotovoltaica está em constante desenvolvimento, sendo o foco principal torná-la mais eficiente – tanto em termos de eficiência celular quanto de custo para o usuário final. Diferentes empresas estão a trabalhar na melhoria da eficiência da energia fotovoltaica para aumentar a eficiência das células solares, mas ao longo da última década, a melhoria da eficiência tem sido muito lenta.
No entanto, este pode ser também um bom aspecto para os proprietários de sistemas fotovoltaicos, devido àqueles que estão atualmente a planear investir num sistema fotovoltaico. Como não se espera um aumento repentino da eficiência da energia fotovoltaica, é improvável que as novas melhorias ultrapassem a energia fotovoltaica atualmente disponível no mercado comercial.