Painel solar fotovoltaico

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Painel Solar.

Painéis solares fotovoltaicos são dispositivos utilizados para converter a energia da luz do Sol em energia elétrica. Os painéis solares fotovoltaicos são compostos por células solares, assim designadas já que captam, em geral, a luz do Sol. Estas células são, por vezes, e com maior propriedade, chamadas de células fotovoltaicas, ou seja, criam uma diferença de potencial elétrico por ação da luz (seja do Sol ou da sua casa). As células solares contam com o efeito fotovoltaico para absorver a energia do sol e fazem a corrente elétrica fluir entre duas camadas com cargas opostas.[1]

Atualmente, os custos associados aos painéis solares, que são muito caros, tornam esta opção ainda pouco eficiente e rentável. O aumento do custo dos combustíveis fósseis, e a experiência adquirida na produção de célula solares, que tem vindo a reduzir o custo das mesmas, indica que este tipo de energia será tendencialmente mais utilizado.[1]

Teoria e Construção[editar | editar código-fonte]

Uma célula fotovoltaica.

Veja o artigo célula solar para uma descrição da conversão da energia da luz em energia elétrica.

O silício cristalino e o arsenieto de gálio são os materiais mais frequentemente utilizados na produção de células solares. Os cristais de arsenieto de gálio são produzidos especialmente para usos fotovoltaicos, mas os cristais de silício tornam-se uma opção mais econômica, até porque são também produzidos com vista à sua utilização na indústria da microeletrónica. O silício policristalino tem uma percentagem de conversão menor, mas comporta custos reduzidos.[1]

Quando expostos à luz direta de 1 AU, uma célula de silício de 6 centímetros de diâmetro pode produzir uma corrente de 0,5 ampere a 0,5 volt, ou seja, cerca de 0.25 watts. O arsenito de gálio é mais eficiente. [carece de fontes?]

O cristal depois de crescido e dopado com boro, é cortado em pequenos discos, polidos para regularizar a superfície, a superfície frontal é dopada com fósforo, e condutores metálicos são depositados em cada superfície: um contacto em forma de pente na superfície virada para o Sol e um contacto extenso no outro lado. Os painéis solares são construídos dessas células cortadas em formas apropriadas, protegidas da radiação e danos ao manusear pela aplicação de uma capa de vidro e cimentada num substrato (seja um painel rígido ou um flexível). As conexões elétricas são feitas em série e em paralelo, conforme se queiram obter maior tensão ou intensidade. A capa que protege deve ser um condutor térmico, pois a célula aquece ao absorver a energia infravermelha do Sol, que não é convertida em energia elétrica. Como o aquecimento da célula reduz a eficiência de operação é desejável reduzir este calor. O resultante desta construção é chamado painel solar.[2]

Um painel solar é um conjunto de células solares. Apesar de cada célula solar fornecer uma quantia relativamente pequena de energia, um conjunto de células solares espalhadas numa grande área pode gerar uma quantidade de energia suficiente para ser útil. Para receber maior quantia de energia, os painéis solares devem estar direcionados para o Sol.[2]

Painéis solares de baixo custo[editar | editar código-fonte]

O World Community Grid é um dos braços tecnológicos da Universidade de Harvard nos Estados Unidos da América com objetivo de construir o maior super computador público do mundo para pesquisas e divulgar em domínio público os resultados coletados para beneficiar toda a humanidade[3] . Foi desenvolvido pela instituição baseado no software conhecido chamado BOINC, que utiliza do processamento computacional compartilhado. O WCG (ou o BOINC) depois de instalado nos computadores dos voluntários no mundo, utiliza do tempo ocioso do computador para executar o processamento dos projetos do qual o voluntário optou por participar. Existem vários projetos oficialmente suportados.

Um dos projetos desenvolvidos pela Universidade é o The Clean Energy Project que, utilizando o processamento computacional compartilhado, procura as melhores moléculas orgânicas simuladas em ambiente virtual para a produção de painéis solares de baixo custo.

No mês de abril de 2013 o Clean Energy Project anunciou que no mês de junho de 2013 vão disponibilizar, em domínio público, as 20.000 melhores moléculas processadas, de mais de 6 milhões geradas por meio do WCG e seus voluntários, que possuem eficiência solar dos mais variáveis níveis.[4]

Neste projeto, os computadores dos voluntários não faziam apenas cálculos computacionais para descobrir as mais promissoras moléculas fotovoltáicas, mas também faziam cálculos que indicavam qual é o melhor procedimento de fabricação de tais moléculas. Além do que, as simulações eram feitas por meio de átomos facilmente encontrados na natureza, sem a simulação de elementos caros que as células solares costumam ter, para se ter custos baixíssimos em seu fabrico, dando origem a resultados de moléculas orgânicas fotovoltáicas [5] . Entre os resultados, foi divulgado que há diversas moléculas com índice de conversão de luz solar em energia elétrica de 10% e algumas com conversão superior a 13%. [6]

Com o desenvolvimento deste trabalho e a primeira disponibilização gratuita sem patentes em domínio público da composição molecular e do processo de fabrico, se espera que os painéis solares sejam, enfim, viáveis economicamente para fabricação em larga escala pela indústria e até mesmo para as pessoas por meio de tintas fotovoltáicas cujo custo se estima ser o mesmo de 1 metro quadrado de tinta comum.

O projeto, em 24 de junho de 2013 disponibilizou as moléculas no site http://www.molecularspace.org/ em domínio público o resultado até o momento do processamento das moléculas. [7] Apesar da disponibilização dos resultados, continuará a usar o processamento compartilhado para descobrir novas moléculas e, do mesmo modo, disponibilizar publicamente os novos resultados.

Ainda de acordo com o The Clean Energy Project, eles estão desenvolvendo algorítmos genéticos para que as melhores moléculas até então descobertas possam ser aperfeiçoadas por este algorítmo, que utiliza o mesmo princípio da seleção natural biológica, criando novas versões destas moléculas que podem resultar em gerações de moléculas mais eficientes que as anteriores.[8]

Produção mundial de energia solar[editar | editar código-fonte]

Radiância solar média (W/m²). Nota que este valor corresponde a uma superfície horizontal. Os painéis solares são normalmente dispostos obliquamente, recebendo assim, mais energia. Os pontos negros representam a área necessária para satisfazer as necessidades de energia primária do mundo inteiro.

Estima-se que o total da potência de pico instalada em painéis solares tenha sido da ordem dos 8 GWp (gigawatts-pico) A tabela seguinte compara a capacidade instalada total com a instalada só em 2007. O total de instalações ligadas à rede elétrica estão separadas das instalações isoladas. A tabela também mostra a capacidade instalada per capita, assim como o preço por watt-pico e o valor pago pelos estados como incentivo à produção de eletricidade a partir de energia solar. A chamada insolação é uma medida do rendimento do painel — por cada kWp pico instalado, quantos kWh são produzidos num ano. Este valor depende de vários fatores controláveis como a orientação do painel em relação ao Sol e o material com que o painel é feito. O número de horas de sol por dia é um fator bastante importante e não se pode controlar.

Capacidade instalada de potência fotovoltaica no fim de 2007
País ou região **** Fora da rede (MWp) Ligado à rede (MWp) Total (MWp) Wp/capita
Total
Preço
/Wp
kW·h/kWp·yr
Insolação
Incentivo
cêntimos/kW·h
Mundo 2007
Total
127,9
662,3
2130
7178
2258
7841
2,5–11,2 800–2902 0–65
 Alemanha[9] [10] 2007 35 1100 1135 46.8 4,0–5.3 1,000–1,300[11] 51,8–56,8
Total 35 3827 3862
 Japão[10] [12] 2007 1,562 208,8 210,4 15 2,96 1200–1600 terminou em 2005
Total 90,15 1829 1919
 Estados Unidos[10] [13] 2007 55 151,5 206,5 2,8 2,98 900–2150[11] 1,2–31,04
Total 325 505,5 830,5
 Espanha[10] 2007 22 490 512 15,1 3,0–4,5 1600–2200 18,38–44,04
Total 29,8 625,2 655
 Itália[10] [14] 2007 0,3 69,9 70,2 2,1 3,2–3,6 1400–2200 36,0–49,0
Total 13,1 107,1 120,2
 Austrália[10] [15] 2007 5,91 6,28 12,19 4,1 4,5–5,4 1450–2902[16] 0–26,4
Total 66,45 16,04 82,49
 Coreia do Sul[10] [17] 2007 0 42,87 42,87 1,6 3,50–3,84 1500–1600 56,5–59,3
Total 5943 71,66 77,60
 França[10] [18] 2007 0,993 30,31 31,30 1,2 3,2–5,1 1100–2000 30,0–55,0
Total 22,55 52,68 75,23
 Países Baixos[10] [19] 2007 0,582 1,023 1,605 3.3 3,3–4,5 1000–1200 1,21–9,7
Total 5,3 48 53,3
Suíça[10] [20] 2007 0,2 6,3 6,5 4,9 3,18–3,30 1200–2000 9,53–50,8
Total 3,6 32,6 36,2
 Áustria[10] 2007 0,055 2,061 2,116 3.4 3,6–4,3 1200–2000
Total 3,224 24,48 27,70
 Canadá[10] [21] 2007 3,888 1,403 5,291 0.8 3,76 900–1750 0–29,48
Total 22,86 2,911 25,78
 México[10] 2007 0,869 0,15 1,019 0.2 5,44–6,42 1700–2600 Não tem
Total 20,45 0,3 20,75
 Reino Unido[10] [22] 2007 0,16 3,65 3,81 0.3 3.67–5,72 900–1300 0–11,74
Total 1,47 16,62 18,09
 Portugal[23] 2007 0,2 14,25 14,45 1.7 6,3-11,4[24] 1600–2200 65[25]
Total 2,841 15,03 17,87

Grandes instalações solares[editar | editar código-fonte]

Central Fotovoltaica Hércules em Moura.

O número e dimensão das centrais solares fotovoltaicas têm aumentado substancialmente nos últimos anos, especialmente na Espanha, onde localizam 40 das 50 maiores centrais. [26]

As maiores instalações solares do mundo[26]
Posição Potência de PicoDC Localização Descrição Energia produzida
1 69,6 MW Puertollano, Espanha[27] 400 000 módulos consumo de 39 000 lares
2 60 MW Olmedilla, Espanha[28] 270 000 módulos 85 GWh/ano
3 46,4 MW Amareleja, Portugal[29] 262 080 módulos 93 GWh/ano
4 40 MW Brandis, Alemanha[30] 550 000 módulos (em construção) 40 GWh/ano
5 34 MW Arnedo, Espanha[31] 172 000 módulos 44 GWh/ano

Aplicações[editar | editar código-fonte]

Aplicações de baixa potência[editar | editar código-fonte]

Uma "árvore" fotovoltaica na Áustria.

Os painéis solares contribuem ainda muito pouco para a produção mundial elétrica, o que atualmente se deve ao custo por watt ser cerca de dez vezes maior que o dos combustíveis fósseis.[carece de fontes?] Tornaram-se rotina em algumas aplicações, tais como as baterias de suporte, alimentação de boias, antenas, dispositivos em estradas ou desertos, crescentemente em parquímetros e semáforos, e de forma experimental são usados para alimentar automóveis em corridas como a World Solar Challenge através da Austrália. Programas em larga escala, oferecendo redução de impostos e incentivos, têm rapidamente surgido em vários países, entre eles a Alemanha, Japão, Estados Unidos e Portugal. [carece de fontes?]

Painéis solares no espaço[editar | editar código-fonte]

Visão da Estação Espacial Internacional e seus painéis solares.

Provavelmente o uso mais bem sucedido de painéis solares é em veículos espaciais, incluindo a maioria das naves que orbitam a Terra e Marte, e naves viajando rumo a regiões mais internas do sistema solar[32] Nas regiões mais afastadas do Sol, a luz é muito fraca para produzir energia o suficiente e, por isso, são utilizados geradores termoelétricos de radioisótopos .

Alguns pesquisadores estão a desenvolver satélites de energia solar: plantas solares espaciais — satélites com um grande número de células fotovoltaicas que iriam enviar a energia captada para a Terra usando microondas ou lasers.[33] As agências espaciais Japonesa e Europeia têm anunciado plano de desenvolver este tipo de plantas no primeiro quartel do século XXI. [carece de fontes?]

Ao contrário dos foguetes químicos, que são impulsionados por uma reação química no propelente, usando os gases de exaustão como massa de reação, alguns métodos de propulsão de naves espaciais têm uma forma de expelir a massa da reação alimentados por eletricidade. Utilizando energia solar ou energia nuclear, esses métodos possuem um impulso específico. A quantidade de massa necessária para a reação cresce exponencialmente com o aumento da velocidade a ser produzida, porém reduzidamente se o impulso é alto (mas o impulso não deve ser muito alto porque a energia necessária é proporcional para um impulso específico maior). Com a energia solar, a aceleração que pode ser produzida é muito baixa (baixa para um lançamento), mas de muito maior duração. Os tempos de queima são meses ao invés de minutos, o que significa que há mais trabalho desenvolvido com menos massa ejectada.[34]

As naves espaciais são construídas de modo a que os painéis solares possam orientar-se independentemente do movimento da nave. Assim se consegue optimizar a produção de energia orientando o painel na direção da luz, não importando para onde a nave esteja apontando.

Atualmente, a energia solar, além de usada para propulsão, tem sido utilizada em satélites artificiais que orbitam outros planeta s. Como exemplo, as sondas Magellan em órbita de Vénus,[35] e a Mars Global Surveyor, de Marte[36] fazem uso da energia solar, da mesma forma que muitos artefatos que orbitam a Terra, como o Telescópio Espacial Hubble. Para missões futuras, é desejável reduzir a massa dos painéis solares e aumentar a potência gerada por unidade de área. Isto reduzirá a massa total da nave, e possibilitará operações a distâncias maiores do Sol. A sonda espacial Rosetta, lançada em 2 de março de 2004, usará painéis solares nas proximidades de Júpiter (5,25 UA); anteriormente, o uso mais distante de painéis solares foi com a espaçonave Stardust, à distância de 2 UA.[32]

A massa dos painéis solares pode ser reduzida utilizando células fotovoltaicas solares de filme fino, feitas de substratos flexíveis. A eficiência pode ser aumentada utilizando novos materiais e concentradores solares que intensificam a luz incidente.

Concentradores fotovoltaicos são dispositivos que intensificam a luz solar nas células. Utilizam lentes planas, chamadas de lentes de Fresnel, que capturam uma grande área da luz do Sol e a concentram num ponto menor. O mesmo princípio é utilizado para gerar fogo com uma lupa num dia soalheiro. Os concentradores solares colocam uma dessas lentes em cada célula solar. Isto focaliza a luz do grande concentrador numa área de célula menor, permitindo que a quantidade de células solares seja reduzida pelo aumento da concentração da luz, reduzindo assim os custos. Os concentradores funcionam melhor quando existe apenas uma fonte de luz e o concentrador pode ser apontado diretamente para ela. Isto é o ideal no espaço, onde o Sol é a única fonte de luz. As células solares são a parte mais cara dos painéis solares, e esses geralmente são uma parte cara das espaçonaves. Esta tecnologia permite que os custos sejam cortados significativamente devido à utilização de menos material pesado. Ao contrário das aplicações em terra nos pontos fixos, geralmente é preferível gastar mais dinheiro numa tecnologia que produza mais energia para um menor peso, isto porque os custos de lançamento são elevadíssimos. Atualmente (2007), paga-se mais para tirar um material da influência gravítica terrestre, do que o seu próprio custo, mesmo que este material consista em metais preciosos.

Aparelhos que utilizam painéis solares[editar | editar código-fonte]

Ver também[editar | editar código-fonte]

Referências

  1. a b c http://www.ceeeta.pt/downloads/pdf/Solar.pdf
  2. a b HowStuffWorks - Introdução às baterias solares. Página visitada em 4 de Novembro de 2009.
  3. World Community Grid - About Us.
  4. Harvard global grid computing project will help create printable solar cells.
  5. The Clean Energy Project - Phase 2.
  6. Printable Solar Cell Encyclopedia To Be Released.
  7. Silicon still rules in solar cells, but Harvard has now ranked 2.3 million possible replacements.
  8. Batteries and evolutionary algorithm.
  9. Dr. Wissing, Lothar; Jülich, Forschungszentrum & Jülich, Projektträger. (May 2007). "National Survey Report of PV Power Applications in Germany 2006 - Version 2" (PDF). IEA - PVPS Programme - NSRs for Germany.
  10. a b Sherwood, Larry; Les Nelson, Fred Morse, Jeff Wolfe, Chris O’Brien. (2006). "US Solar Industry - Year In Review - 2006" (PDF). Solar Energy Industries Association (SEIA) & The Prometheus Institute for Sustainable Development.
  11. Ikki, Osamu; Matsubara, Koji. (2007-05-25). "National Survey Report of PV Power Applications in Japan 2006" (PDF). IEA - PVPS Programme - NSRs for Japan.
  12. Pedigo, Susannah; Maycock, Paul D. & Bower, Ward. (2007-08-30). "National Survey Report of PV Power Applications in The United States Of America 2006 - Version 14" (PDF). IEA - PVPS Programme - NSRs for The USA.
  13. Guastella, Salvatore; Castello, Salvatore & Anna De Lillo. (May 2007). "National Survey Report of PV Power Applications in Italy 2006" (PDF). IEA - PVPS Programme - NSRs for Italy.
  14. Watt, Muriel. (May 2007). "National Survey Report of PV Power Applications in Australia 2006" (PDF). IEA - PVPS Programme - NSRs for Australia.
  15. Blakers, Andrew W.. (2000). "Solar and Wind Electricity in Australia" (pdf). Australian Journal of Environmental Management, Vol 7, pp 223-236, 2000.
  16. Yoon, Kyung-Hoon; Kim, Donghwan & Yoon, Kyung Shick. (May 2007). "National Survey Report of PV Power Applications in Korea 2006" (PDF). IEA - PVPS Programme - NSRs for The Republic of Korea.
  17. Claverie, André; Equer, Bernard. (2007-07-15). "Solar Photovoltaic Electricity Applications in France National Survey Report 2006" (PDF). IEA - PVPS Programme - NSRs for France.
  18. Swens, Job. (May 2007). "National Survey Report of PV Power Applications in The Netherlands 2006" (PDF). IEA - PVPS Programme - NSRs for The Netherlands.
  19. Hüsser, Pius; Hostettler, Thomas (2006). National Survey Report on PV Power Applications in Switzerland 2006 (PDF) (em en). IEA International Energy Agency. Página visitada em 22 July 2014. Cópia arquivada em 22 July 2014.
  20. Ayoub, Josef; Martel, Sylvain & Dr. Dignard-Bailey, Lisa. (May 2007). "National Survey Report of PV Power Applications in Canada 2006" (PDF). IEA - PVPS Programme - NSRs for Canada.
  21. Davidson, Sarah. (2007-October). "National Survey Report of PV Power Applications in the United Kingdom 2006" (PDF). IEA - PVPS Programme - NSRs for The United Kingdom.
  22. EurObserv'ER, (Includes Some Discredited/Preliminary Sources). (2007-April). "EurObserv’ER - Photovoltaic Energy Barometer" (PDF). Systèmes Solaires - Le Journal des Énergies Renouvelables n° 178: 49–70.
  23. DGEG - Direcção-Geral de Energia e Geologia. Página visitada em 4 de Novembro de 2009.
  24. [1].
  25. a b World's largest photovoltaic power plants (ranking 1-50). Página visitada em 4 de Novembro de 2009.
  26. ELMUNDO.ES. Página visitada em 4 de Novembro de 2009.
  27. NOBESOL - Noticias. Página visitada em 04 de Novembro de 2009.
  28. IOL Diário - Segunda maior central solar do mundo no Alentejo. Página visitada em 4 de Novembro de 2009.
  29. [2].
  30. La compañía T-Solar inaugura en Arnedo la mayor central fotovoltaica de Europa. El Correo. Página visitada em 4 de Novembro de 2009.
  31. a b http://science.nasa.gov/headlines/y2002/08jan_sunshine.htm.
  32. Usina solar espacial - energia solar dia e noite. Página visitada em 4 de Novembro de 2009.
  33. ESA Science & Technology: Electric Spacecraft Propulsion. Página visitada em 4 de Novembro de 2009.
  34. Magellan Mission at a Glance. Página visitada em 4 de Novembro de 2009.
  35. Mars Global Surveyor. Página visitada em 4 de Novembro de 2009.

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

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