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A energia fotovoltaica (FV) é um método de geração de energia elétrica por meio da conversão da radiação solar em corrente contínua , utilizando semicondutores que exibem o efeito fotovoltaico. A geração de energia fotovoltaica utiliza painéis solares compostos por diversas células contendo um material fotovoltaico. Os materiais atualmente utilizados para energia fotovoltaica incluem silício monocristalino , silício policristalino, silício amorfo, telureto de cádmio e seleneto/sulfeto de cobre e índio.
Devido à crescente demanda por fontes de energia renováveis , a fabricação de células solares e painéis fotovoltaicos avançou consideravelmente nos últimos anos. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Este artigo explora os componentes de um sistema fotovoltaico, descreve seu papel e importância e funciona como um guia inicial para aqueles que desejam investir em um sistema fotovoltaico.
Contexto
Todos os dias, em todo o mundo, o sol brilha sobre a Terra. A energia dos fótons solares pode ser convertida em energia elétrica. O nome desse processo é efeito fotovoltaico .
A primeira célula fotovoltaica foi construída por Charles Fritts, que construiu uma célula de 30 cm de selênio e ouro em 1883. [ 4 ] A tecnologia fotovoltaica moderna de silício foi descoberta em 1954 por pesquisadores do Bell Labs, que acidentalmente desenvolveram a junção pn que permite que a energia fotovoltaica produza eletricidade útil. [ 5 ] Em 1958, a NASA começou a usar a energia fotovoltaica como sistemas de energia de reserva para seus satélites. [ 4 ] A primeira residência movida a energia solar foi construída na Universidade de Delaware em 1973, e o primeiro projeto fotovoltaico em escala de megawatt foi instalado na Califórnia em 1984. [ 4 ]
Desde o primeiro painel solar comercialmente disponível na década de 1960, a tecnologia fotovoltaica (FV) tem sido continuamente explorada e desenvolvida em todo o mundo (Pratt & Schaeffer 51). O constante desenvolvimento dessa tecnologia resultou em um nível crescente de eficiência e em painéis FV mais acessíveis do que nunca, embora ainda inicialmente caros. Hoje, os humanos continuam buscando novas maneiras de tornar a tecnologia fotovoltaica uma opção viável para todos em todo o mundo. Como a maioria de nós não estuda o nível atômico dessa tecnologia, podemos ajudar de outras maneiras – adquirindo e disseminando esse conhecimento sobre energia fotovoltaica, bem como ajudando outras pessoas a obter acesso a sistemas solares ou fotovoltaicos.
Em 2010, a energia solar fotovoltaica gerava eletricidade em mais de 100 países e, embora ainda constituísse uma pequena fração da capacidade total de geração de energia global de 4,8 TW de todas as fontes, era a tecnologia de geração de energia que mais crescia no mundo. Entre 2004 e 2009, a capacidade fotovoltaica conectada à rede aumentou a uma taxa média anual de 60%, para cerca de 21 GW. [ 6 ] Essas instalações podem ser montadas no solo (e às vezes integradas à agricultura e ao pastoreio) [ 7 ] ou construídas no telhado ou nas paredes de um edifício, conhecidas como Building Integrated Photovoltaics ou BIPV para abreviar. [ 8 ] A energia fotovoltaica fora da rede é responsável por 3 a 4 GW adicionais. [ 6 ] Impulsionado pelos avanços na tecnologia e pelos aumentos na escala e sofisticação da fabricação, o custo da energia fotovoltaica tem diminuído constantemente desde que as primeiras células solares foram fabricadas. [ 9 ] A medição líquida e os incentivos financeiros, como tarifas de alimentação preferenciais (por exemplo [ 10 ] ) para a electricidade gerada pela energia solar, têm apoiado as instalações solares fotovoltaicas em muitos países.
Vantagens
A tecnologia fotovoltaica apresenta uma série de vantagens exclusivas em relação às tecnologias convencionais de geração de energia. Os sistemas fotovoltaicos podem ser projetados para uma variedade de aplicações e requisitos operacionais e podem ser usados para geração de energia centralizada ou distribuída. Os sistemas fotovoltaicos não possuem partes móveis, são modulares, facilmente expansíveis e, em alguns casos, até mesmo transportáveis. A luz solar é gratuita e nenhum ruído ou poluição é criado pela operação dos sistemas fotovoltaicos. Os painéis solares nem precisam de luz solar direta para gerar eletricidade. [ 11 ] Os painéis fotovoltaicos não exigem o uso de combustíveis fósseis, como carvão, petróleo ou gás natural, no processo de produção de energia. Alternativamente, as fontes convencionais de combustível criaram uma série de problemas ambientais, como aquecimento global, chuva ácida, poluição atmosférica, poluição da água, rápido enchimento de aterros sanitários, destruição de habitats por derramamentos de petróleo e perda de recursos naturais (Solar Energy International 2004). Os módulos fotovoltaicos usam silício como seu principal componente. As células de silício fabricadas a partir de uma tonelada de areia produzem tanta eletricidade quanto a queima de 500.000 toneladas de carvão (Solar Energy International 2004). Sistemas fotovoltaicos bem projetados e instalados corretamente requerem manutenção mínima e têm longa vida útil. Se mantidos adequadamente [ 12 ] (limpos e protegidos), os painéis fotovoltaicos podem durar até trinta anos ou mais. Outros aspectos do sistema, como a bateria, têm vida útil muito mais curta e podem precisar ser substituídos após vários anos de uso.
Solar Energy International (2004) indica que existem muitos outros benefícios a considerar ao escolher a tecnologia fotovoltaica:
- Confiabilidade : Mesmo nas condições mais adversas, os sistemas fotovoltaicos mantêm o fornecimento de energia elétrica. Em comparação, as tecnologias convencionais frequentemente falham em fornecer energia nos momentos mais críticos.
- Durabilidade : Em geral, os módulos têm garantia de 80% de sua potência nominal por 20 anos ou mais. Portanto, o pior cenário é uma queda esperada de 1% no desempenho ao ano. Diversos estudos mostram uma degradação ainda menor, em torno de 0,2% ao ano. Os módulos fotovoltaicos produzem mais energia durante sua vida útil do que a necessária para produzi-los. [ 13 ]
- Baixo custo de manutenção : os sistemas fotovoltaicos não exigem inspeção ou manutenção frequentes. O transporte de suprimentos pode ser caro, mas esses custos geralmente são menores do que com sistemas convencionais.
- Sem custo de combustível : como não há fonte de combustível, não há gastos necessários para comprar, armazenar ou transportar combustível.
- Poluição sonora reduzida : os sistemas fotovoltaicos operam silenciosamente e com movimento mínimo.
- Modularidade Fotovoltaica : Diferentemente dos sistemas convencionais, módulos podem ser adicionados aos sistemas fotovoltaicos para aumentar a potência disponível.
- Segurança : Os sistemas fotovoltaicos não exigem o uso de combustíveis combustíveis e são muito seguros quando projetados e instalados adequadamente.
- Independência : Os sistemas fotovoltaicos podem operar independentemente da rede elétrica. Isso representa uma grande vantagem para comunidades rurais em países sem infraestrutura básica.
- Descentralização da Rede Elétrica : Usinas descentralizadas de pequena escala reduzem a possibilidade de cortes de energia, que costumam ser frequentes na rede elétrica. Veja: Geração Distribuída
- Desempenho em altitudes elevadas : Ao utilizar energia solar, a produção de energia é otimizada em altitudes mais elevadas. Isso é muito vantajoso para comunidades isoladas e em altitudes elevadas, onde os geradores a diesel precisam ser reduzidos devido à perda de eficiência e produção de energia.
Ao compensar a necessidade de energia convencional, a energia solar distribuída proporciona benefícios mensuráveis a partir de uma perspectiva de rede, incluindo: [ 14 ]
- Preços mais baixos do mercado de eletricidade convencional devido à redução da demanda de pico
- Proteção de preço valiosa ao usar um combustível renovável gratuito em vez de combustíveis fósseis com preços variáveis
- Custos evitados de nova infraestrutura de transmissão e distribuição para gerenciar o fornecimento de eletricidade de usinas centralizadas;
- Redução da necessidade de construir, operar e manter usinas de geração de gás natural
- Redução de interrupções devido a um sistema de energia elétrica distribuído e mais confiável
- Redução dos custos futuros de mitigação dos impactos ambientais do carvão, gás natural, energia nuclear e outras fontes de geração
- Aumento da receita tributária associada à criação de empregos locais, sendo maior para a geração de energia solar do que para a geração convencional. Veja este exemplo de geração de receita para o governo canadense por meio do apoio à fabricação de energia fotovoltaica. [ 15 ]
Desvantagens
A energia solar é uma fonte de energia relativamente inesgotável, mas isso não significa necessariamente que a energia fotovoltaica seja a mesma. Os sistemas fotovoltaicos são:
- Deve pagar tudo no início . Os preços dos módulos, os geradores, estão caindo 20-40% a cada ano nos últimos 7 anos. O que antes era uma tecnologia cara e subsidiada (1995-2009) agora é acessível e econômica em regiões ensolaradas até mesmo dos EUA e do sul da Europa (2012). Os altos preços da energia também tornaram os painéis solares mais econômicos, pois seu período de retorno diminuiu. Em média, as famílias do Reino Unido veem os painéis solares se pagarem 2,5 anos mais rápido após a implementação do teto de preço da Ofgem em abril de 2022, [ 16 ] que viu o custo da energia aumentar em 54% para a maioria das famílias. [ 17 ] Os componentes do sistema são caros para substituir. O custo de um sistema fotovoltaico típico nos EUA está entre US$ 2 e US$ 6 por Wp [ 18 ] Para abastecer uma casa típica dos EUA com um sistema de 5 kW, portanto, custa entre US$ 10.000 e US$ 30.000. Para residências mais eficientes e aquelas com cargas elétricas mais modestas (por exemplo, alguns LEDs de alta eficiência), os custos são consideravelmente menores. Para preços atuais de energia fotovoltaica, consulte http://www.solarbuzz.com/ . Uma recente escassez de silício de grau solar interrompeu a redução de custos que durava décadas, à medida que a capacidade de fabricação aumentava. A tendência de redução de custos está sendo restaurada à medida que mais usinas de silício de grau solar W entram em operação. Além disso, à medida que a fabricação em larga escala utilizando simbiose industrial é iniciada, a energia solar fotovoltaica deverá ser competitiva em termos de custo com a eletricidade fornecida pela rede . [ 19 ]
- Alta tecnologia - Exige mão de obra qualificada para sua criação, embora a operação e a manutenção das células fotovoltaicas em si sejam relativamente fáceis. Atualmente, não existem métodos adequados para que as pessoas construam seus próprios sistemas fotovoltaicos a partir de materiais locais. A natureza de alta tecnologia oferece uma grande vantagem na escala de produção com as tecnologias atuais.
- Alguns materiais fotovoltaicos são tóxicos . Por exemplo, o cádmio presente nas células solares de telureto de cádmio. Muitos autores argumentam que, no próprio painel, o Cd está protegido do meio ambiente — mas, por isso, exige um tratamento cuidadoso no fim da vida útil.
- Intermitente - As células solares só produzem eletricidade quando o sol está brilhando. À noite ou com mau tempo, você precisa de baterias de armazenamento ou de uma fonte de energia secundária. (Por outro lado, os painéis solares são excelentes para balanceamento de carga, pois o consumo máximo de eletricidade e o pico de geração solar ocorrem em dias quentes e ensolarados.)
Existem duas desvantagens frequentemente usadas nos campos ambientalistas em relação à energia fotovoltaica de alta tecnologia:
- Poluição na Produção - Combustíveis fósseis são amplamente utilizados para extrair, produzir e transportar painéis fotovoltaicos. Esses processos também envolvem fontes correspondentes de poluição . Isso se aplica a praticamente qualquer produto fabricado atualmente. Felizmente, a análise do ciclo de vida de um sistema fotovoltaico é um fator positivo para o meio ambiente, pois pode compensar a produção de energia a partir de combustíveis fósseis ao longo de sua vida útil de aproximadamente 25 anos.
- Alto custo de energia - Requer muita energia para produzir. No passado, até foi argumentado que era preciso mais energia para produzir do que consumir. Isso é simplesmente errado. [ 20 ] Neste artigo, os autores mostram claramente que os três tipos de materiais fotovoltaicos (PV), que compõem a maioria do mercado solar ativo: células solares de silício monocristalino, policristalino e amorfo, se pagam em termos de energia em poucos anos (1-5 anos) . Assim, eles geram energia suficiente ao longo de suas vidas úteis para se reproduzirem muitas vezes (6-31 reproduções), dependendo do tipo de material, do equilíbrio do sistema e da localização geográfica do sistema.
Instalação de sistema fotovoltaico
Esta página fornece um guia sobre como instalar um sistema fotovoltaico.
Aqui você encontrará informações sobre como uma análise de local deve ser realizada para determinar o melhor local para ele, bem como como o dimensionamento deve ser feito.
Mais tarde, você encontrará uma lista de componentes para construir o sistema (incluindo célula , painel ou módulo , matriz , bateria de ciclo profundo , controlador de carga , regulador de tensão , desconexão de baixa tensão , inversor , carga , medidor , proteção contra sobrecorrente e gerador ).
Por fim, são fornecidasinformações sobre como proceder com a fiação .
Aviso : Antes de considerar instalar qualquer tipo de sistema fotovoltaico, você deve primeiro trabalhar para otimizar a eficiência energética da sua casa .
Solar térmico fotovoltaico
O objetivo dos sistemas híbridos solares fotovoltaicos térmicos (PVT) é produzir calor e eletricidade em uma área menor do que se você tivesse um painel fotovoltaico e um sistema solar térmico . O projeto atual para PVT é ter um painel solar colado a um sistema solar térmico. O objetivo do PVT é usar o sistema solar térmico para resfriar as células fotovoltaicas e obter um melhor desempenho, já que as células solares se degradam em temperaturas acima de 25 °C. Isso significa, no entanto, que o aspecto térmico do PVT tem uma eficiência significativamente menor em comparação com apenas um sistema solar térmico (máximo de 50% de eficiência energética em comparação com mais de 70% de eficiência energética).
Notas
Existem mudanças muito mais econômicas do que implementar sistemas fotovoltaicos em residências. Por exemplo, investir em aquecimento solar de água e eficiência energética, e possivelmente até mesmo em compensações de carbono, tem um efeito muito maior na redução da sua pegada de carbono/ecológica. [ verificação necessária ]
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Links externos
Para ver a lista completa de links externos sobre energia fotovoltaica, clique aqui
Referências
- Pratt, Doug e John Schaeffer. Livro de Referência para Vida Solar. Décimo. NV: Chelsea Green Publishing Company, 1999.
- ↑ Mercado fotovoltaico alemão
- ↑ BP Solar expandirá suas usinas de células solares na Espanha e na Índia
- ↑ Eletricidade solar barata e em larga escala
- ↑Ir para:4.0 4.1 4.2 Luque, A. e S. Hegedus (2003), Manual de ciência e engenharia fotovoltaica, Wiley, Hoboken, NJ.
- ↑ Goetzberger, A., e VU Hoffmann (2005), Geração de energia solar fotovoltaica, Springer, Nova York, NY.
- ↑Ir para:6.0 6.1 REN21. Relatório de Status Global de Energias Renováveis 2010 , p. 19.
- ↑ GE investe e entrega uma das maiores usinas de energia solar do mundo
- ↑ Fotovoltaica integrada em edifícios
- ↑ Richard M. Swanson. Photovoltaics Power Up, Science , Vol. 324, 15 de maio de 2009, p. 891.
- ↑ https://www.ofgem.gov.uk/environmental-and-social-schemes/feed-tariffs-fit
- ↑ https://www.makemyhousegreen.com/green-guides/do-solar-panels-need-direct-sunlight/
- ↑ Para um artigo de resumo muito bom sobre O&M de grandes sistemas, veja a parte 1: [1] e a parte 2: [2] .
- ↑ Joshua Pearce e Andrew Lau, "Análise de energia líquida para produção de energia sustentável a partir de células solares de silício" , Anais da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, editor R. Cambell-Howe, 2002.
- ↑ Resumo; http://web.archive.org/web/20121110185859/http://www.onlinetes.com:80/solar-energy-bargain-nj-pa-11912.aspx
- ↑ K. Branker e JM Pearce, " Retorno financeiro para o apoio governamental à fabricação de energia solar fotovoltaica de película fina em larga escala no Canadá ", Energy Policy 38 , pp. 4291–4303 (2010). Acesso aberto
- ↑ https://www.makemyhousegreen.com/green-guides/press-release-solar-panels-roi-2-5-years-faster/
- ↑ https://www.ofgem.gov.uk/publications/price-cap-increase-ps693-april
- ↑ Uma boa prática é dobrar o preço do módulo para contabilizar os componentes do sistema e a instalação. Para médias atualizadas sobre os custos do painel, veja a pesquisa de preços de varejo aqui .
- ↑ Pearce, JM 2008. "Simbiose industrial para fabricação fotovoltaica em larga escala", Renewable Energy 33, pp. 1101–1108. [3]
- ↑ Para uma análise detalhada dos custos de energia do ciclo de vida das células solares, veja: Joshua Pearce e Andrew Lau, "Net Energy Analysis For Sustainable Energy Production From Silicon Based Solar Cells" , Proceedings of American Society of Mechanical Engineers Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, editor R. Cambell-Howe, 2002.
