Energia solar

Você já viu calculadoras sem pilha? Com luz
suficiente, elas parecem funcionar para sempre (algumas nem têm botão
de desligar). Elas são bons exemplos do uso de células solares. Você
pode ter visto painéis solares bem maiores, em placas ou telefones
públicos de emergência, em estradas. Embora esses grandes painéis não
sejam tão comuns como as calculadoras que funcionam com energia solar,
eles estão por aí, e não é difícil de achar se você souber onde
procurar. Há conjuntos de células solares em satélites, para abastecer os sistemas elétricos.

Também é provável que você tenha ouvido sobre a "revolução solar"
nos últimos 20 anos: a idéia de que um dia todos nós usaremos a
eletricidade grátis do Sol.
Este é um processo sedutor: em um dia claro e ensolarado, o sol brilha
"despejando" aproximadamente 1.000 watts de energia por metro quadrado
da superfície do planeta; e se pudéssemos coletar toda esta energia
poderíamos facilmente fornecer energia para nossas casas e escritórios
de graça.

Foto cedida DOE/NREL Crédito da foto Agência SunLine Transit Os painéis solares absorvem energia para produzir hidrogênio na Agência SunLine Transit

Neste artigo, examinaremos as células solares para aprender como
elas convertem a energia do Sol diretamente em eletricidade. No
processo, você aprenderá a razão pela qual estamos nos aproximando da
energia solar diariamente e por que ainda precisamos pesquisar mais
antes que o processo se torne economicamente viável.

Convertendo fótons em elétrons
As células solares das calculadoras e satélites são células ou módulos fotovoltaicos
(módulos são simplesmente um grupo de células conectadas eletricamente e
reunidas em uma estrutura). Fotovoltaica, como diz a palavra (foto =
luz, voltaica = eletricidade), converte a luz do Sol diretamente em
eletricidade. Antes usadas quase que exclusivamente no espaço, as
células fotovoltaicas são cada vez mais usadas de modos menos exóticos.
Elas podem até mesmo abastecer uma casa de energia. Como esses
dispositivos funcionam?

Células fotovoltaicas (FV) são feitas de materiais especiais chamados de semicondutores, como
o silício, que é atualmente o mais comum. Basicamente, quando a luz
atinge a célula, uma certa quantidade dela é absorvida pelo material semicondutor.
Isso significa que a energia da luz absorvida é transferida para o
semicondutor. A energia arranca os elétrons fracamente ligados,
permitindo que eles possam fluir livremente. As células FV também
possuem um ou mais campos elétricos que forçam os elétrons livres, pela
absorção da luz, a fluir em um certo sentido. Este fluxo de elétrons é
uma corrente; e pondo contatos de metal na parte superior e na parte
inferior da célula FV, podemos drenar esta corrente para usá-la
externamente. Por exemplo, a corrente pode abastecer uma calculadora.
Essa corrente, juntamente com a voltagem da célula (que é um resultado
de seu(s) campo(s) elétrico(s) embutido(s)), define a potência que a
célula pode produzir.

Este é o processo básico, mas realmente há muito mais sobre isso.
Vamos dar uma boa olhada em um exemplo de célula fotovoltaica: a célula
de silício monocristalino.

O silício tem algumas propriedades químicas especiais, principalmente em sua forma cristalina. Um átomo
de silício tem 14 elétrons, organizados em três camadas diferentes. As
duas primeiras camadas, aquelas mais próximas do centro, estão
completamente cheias. Já a camada mais externa é preenchida pela metade,
tendo apenas quatro elétrons. Um átomo de silício sempre vai procurar
modos de completar até sua última camada, que gostaria de ter oito
elétrons. Para fazer isso, ele vai partilhar os elétrons com quatro de
seus átomos vizinhos de silício. É como se cada átomo estivesse de mãos
dadas com seus vizinhos, exceto que, neste caso, cada átomo tem quatro
mãos dadas para quatro vizinhos. É isso que forma a estrutura cristalina, importante para este tipo de célula FV.

Acabamos de descrever o silício cristalino puro. O silício puro é
um mau condutor de eletricidade, porque nenhum de seus elétrons está
livre para se mover. Bons condutores, como o cobre, têm elétrons livres.
No silício os elétrons estão todos presos à estrutura cristalina. O
silício em uma célula solar é levemente modificado para que a célula
funcione como deveria.

Uma célula solar tem silício com impurezas: outros
átomos misturados com os átomos de silício, mudando um pouco a forma
das coisas. Geralmente pensamos nas impurezas como algo indesejável, mas
em nosso caso, nossa célula não funcionaria sem elas. Estas impurezas
são na verdade colocadas ali de propósito. Considere o silício junto com
alguns poucos átomos de fósforo, talvez um para cada milhão de átomos
de silício. O átomo de fósforo tem cinco elétrons em sua camada externa,
não quatro. Ele ainda se conecta com seus átomos de silício vizinhos,
mas de certo modo, o fósforo tem um elétron que não se conecta. Ele não
faz parte de uma ligação, mas há um próton positivo no núcleo do fósforo
que o mantém no lugar.

Quando energia é adicionada ao silício puro, por exemplo, na forma
de calor, ela pode causar a liberação de alguns elétrons de suas
ligações, e eles deixam seus átomos. Um buraco é deixado para trás em
cada caso. Estes elétrons, então, vagam aleatoriamente ao redor da
distribuição dos átomos do cristalino, procurando outro buraco no qual
“entrar”. Esses elétrons são chamados de portadores livres
e podem carregar a corrente elétrica. Há alguns deles no silício puro, o
que não os torna lá muito úteis. Nosso silício impuro com átomos de
fósforo misturados é uma outra história. Acontece que ele toma muito
menos energia para liberar um dos nossos elétrons "extras" do fósforo
porque eles não estão conectados por uma ligação, seus vizinhos não
estão conectados a ele. Assim, a maioria desses elétrons se liberta, e
há muito mais portadores livres do que haveria no silício puro. O
processo de adicionar impurezas de propósito é chamado de doping, e quando "dopado" com fósforo o silício resultante é chamado tipo-N
("n" de negativo) por causa do predomínio dos elétrons livres. O
silício dopado tipo-N é um condutor muito melhor do que o silício puro.

Na verdade, apenas parte da nossa célula solar é tipo-N. A outra
parte é dopada com boro (que tem apenas três elétrons, em vez de quatro,
em sua camada mais externa) para se tornar um silício do tipo-P.
Em vez de ter elétrons livres, o silício tipo-P ("p" de positivo) tem
buracos livres. Os buracos, na verdade, são apenas a ausência de
elétrons, então eles possuem carga oposta (positiva). Eles ficam se
movendo, exatamente como os elétrons fazem.

A parte interessante começa quando você coloca o silício tipo-N
junto com o silício tipo-P. Lembre-se de que cada célula FV apresenta um
campo elétrico. Sem um campo elétrico, a célula não
funcionaria. Esse campo se forma quando o silício tipo-N e tipo-P estão
em contato. De repente, os elétrons livres no lado N, que estiveram
procurando por todos os lugares pelos buracos para entrar, vêem todos os
buracos livres no lado P, e há uma corrida maluca para preenchê-los.

A anatomia de uma célula

Antes, o silício era eletricamente todo neutro. Nossos elétrons extras
foram balanceados pelos prótons extras nos fosforosos. Os elétrons que
estão faltando (buracos) foram balanceados pelos prótons que estão
faltando no boro. Quando os buracos e os elétrons se misturam na junção
do silício tipo-N e tipo-P, essa neutralidade é rompida. Todos os
elétrons livres preenchem todos os buracos livres? Não. Se eles
preenchessem, então a organização total não seria muito útil. Porém, bem
na junção, eles se misturam formando uma barreira, dificultando mais e
mais para os elétrons no lado N atravessarem para o lado P. Finalmente, o
equilíbrio é alcançado e temos um campo elétrico separando os dois
lados.

O efeito do campo elétrico em uma célula FV

Este campo elétrico atua como um diodo,
permitindo (e mesmo empurrando) os elétrons para fluírem do lado P para
o lado N, mas não ao contrário. É como uma montanha, os elétrons podem
descer facilmente a montanha (para o lado N), mas não podem subi-la
(para o lado P).

Então, conseguimos um campo elétrico atuando como um diodo no qual
os elétrons apenas podem se mover em um sentido. Vamos ver o que
acontece quando a luz atinge a célula. 

Quando a luz, na forma de fótons, atinge nossa célula solar, sua energia libera os pares de furos e elétron-buraco.

Cada fóton com energia suficiente normalmente liberará exatamente
um elétron, resultando em um buraco livre também. Se isto acontece muito
perto do campo elétrico, ou se acontecer do elétron livre e do buraco
livre estarem na região de influência do campo, ele enviará o elétron
para o lado N e o buraco para o lado P. Isto causa ruptura adicional da
neutralidade elétrica e, se fornecermos um caminho externo para a
corrente, os elétrons fluirão, através do caminho, para seu lado
original (o lado P) para unirem-se com os buracos que o campo elétrico
enviou para lá, fazendo o trabalho para nós ao longo do caminho. O fluxo
de elétrons fornece a corrente e o campo elétrico das células causa uma voltagem. Com a corrente e a voltagem, temos a potência que é o produto dos dois.

Ainda restam algumas etapas antes que possamos
realmente usar nossa célula. Acontece que o silício é um material muito
brilhante e, portanto, reflete muito. Os fótons que são refletidos não
podem ser usados pela célula. Por esta razão, um revestimento anti-reflexo é aplicado no topo da célula para reduzir a perda de reflexo para menos de 5%.

A etapa final é a placa de cobertura de vidro
que protege a célula dos fenômenos atmosféricos. Os módulos são feitos
pela conexão de várias células (geralmente 36) em séries e em paralelo
para atingir níveis úteis de voltagem e corrente, e colocá-las em uma
forte estrutura completa com cobertura de vidro e terminais positivos e
negativos na parte de trás.

Operação de uma célula FV

A estrutura básica de uma célula FV de silício genérica

Quanta energia, proveniente da luz do Sol, nossa célula FV absorve?
Infelizmente, o máximo que nossa célula simples poderia absorver é
cerca de 25% e, geralmente, 15% ou menos. Por que tão pouco?

Perda de energia numa célula solar

A luz visível é parte do espectro eletromagnético.
A radiação eletromagnética não é monocromática, é composta de uma
variação de comprimentos de onda diferentes e conseqüentemente de níveis
de energias diferentes (veja Como funciona a relatividade especial para uma boa discussão sobre espectro eletromagnético).

A luz pode ser separada em comprimentos de onda diferentes e
podemos vê-los na forma de um arco-íris. Como a luz que atinge nossa
célula tem fótons de uma grande variedade de energias, alguns deles não
possuem energia suficiente para formar um par de elétron-buraco. Eles
simplesmente passarão pela célula como se ela fosse transparente.
Somente uma certa quantidade de energia, medida em elétron-volts (eV) e
definida por nosso material da célula (cerca de 1,1 eV para o silício
cristalino), é requerida para arrancar um elétron. Chamamos isso de energia de espaçamento entre as bandas
de um material. Se um fóton tem mais energia do que a quantidade
necessária, então a energia extra é perdida (a menos que um fóton tenha o
dobro da energia requerida, e possa criar mais do que um par de
elétron-buraco, mas este efeito não é significativo). Estes dois efeitos
sozinhos são responsáveis pela perda de cerca de 70% da energia de
radiação incidente na nossa célula.

Por que não podemos escolher um material com um espaçamento entre
as bandas realmente baixo para que possamos usar mais fótons?
Infelizmente, nosso espaçamento determina a intensidade (voltagem) de
nosso campo elétrico, e se for muito baixo, então obtemos uma corrente
extra (pois mais fótons são absorvidos), e assim perdemos por ter uma
voltagem baixa. Lembre-se de que a potência é a voltagem vezes a
corrente. O espaçamento ideal entre as bandas, balanceando estes dois
efeitos, está em torno de 1,4 eV para uma célula de um único material.

Também temos outras perdas. Nossos elétrons tem de fluir de um lado
da célula para o outro através de um circuito externo. Podemos cobrir a
parte inferior com um metal, permitindo uma boa condução, mas se
cobríssemos completamente a parte superior, então os fótons não
conseguiriam atravessar o condutor opaco e perderíamos toda nossa
corrente (em algumas células, os condutores transparentes são usados na
superfície superior). Se colocarmos nossos contatos apenas nas laterais
de nossas células, então os elétrons terão de percorrer uma distância
extremamente longa (para um elétron) para alcançar os contatos.
Lembre-se de que o silício é um semicondutor, não é nem de longe tão bom
quanto o metal para o transporte da corrente. Sua resistência interna
(chamada de resistência de série) é razoavelmente alta, significando
altas perdas. Para minimizar estas perdas, nossa célula é coberta por
uma rede de contato metálica que reduz a distância que os elétrons devem
percorrer enquanto cobrem apenas uma pequena parte da superfície da
célula. Mesmo assim, alguns fótons são bloqueados pela rede, que não
pode ser muito pequena ou então sua própria resistência será muita alta.

Dentro do silício monocristalinoO
silício monocristalino não é o único material usado em células FV. O
silício policristalino também é usado na tentativa de cortar os custos
de fabricação, embora as células resultantes não sejam tão eficazes como
o silício monocristalino. Silício amorfo, que não tem a estrutura
cristalina, também é usado, novamente na tentativa de reduzir os custos
de produção. Outros materiais usados incluem arsenieto de gálio,
di-seleneto de cobre e índio e telureto de cádmio. Desde que materiais
diferentes tenham espaçamento entre as bandas diferentes, eles parecem
ser "sintonizados" para comprimentos de onda diferentes ou fótons de
energias diferentes. Um jeito para que a eficácia seja
melhorada é usar duas ou mais camadas de materiais diferentes com
espaçamento entre as bandas diferentes. O material que tem espaçamento
maior entre as bandas fica na superfície, absorvendo os fótons de alta
energia, enquanto permite que os fótons de energia mais baixa sejam
absorvidos pelo material, logo abaixo, que tem espaçamento entre as
bandas menor. Esta técnica pode ser muito mais eficiente. Tais células
são chamadas células multi-junção, que podem ter mais de um campo elétrico.

Alimentando uma casa com energia solar

Agora que temos nosso módulo FV, o que fazemos com ele? O que você
teria que fazer para trazer energia para sua casa através da energia
solar? Embora não seja tão simples como colocar alguns módulos no
telhado, também não é tão difícil assim.

Primeiro de tudo, nem todo telhado tem a orientação ou o ângulo de
inclinação adequado para tirar proveito da energia solar. Sistemas FV
sem rastreamento no Hemisfério Norte devem apontar em direção ao sul
(esta é a orientação). Eles devem ficar inclinados em um ângulo igual à
latitude da área para absorver a máxima quantidade de energia o ano
todo. Uma orientação e/ou inclinação diferente poderia ser usada se você
quisesse maximizar a produção de energia para a manhã ou tarde e/ou,
ainda, para o verão ou inverno. É claro que os módulos nunca devem
receber sombra de árvores ou de prédios vizinhos, não importa a hora do
dia ou a época do ano. Em um módulo FV, mesmo se apenas uma das 36
células estiver na sombra, a produção de energia será reduzida por mais
da metade.

Se você tem uma casa com um telhado sem sombra e direcionado para o
sul, você deve decidir que tipo de sistema você precisa. Isso é
complicado porque sua produção de eletricidade depende do clima, o que
nunca é completamente previsível, e sua demanda de eletricidade também
pode variar. Estes obstáculos são bem fáceis de superar. Os dados metereológicos
dão uma média mensal de níveis de raios solares para áreas geográficas
diferentes. Eles levam em consideração as chuvas e os dias nublados, bem
como a altura, umidade
e outros fatores subentendidos. Você deve planejar para o pior mês para
ter eletricidade o suficiente para o ano inteiro. Com esses dados, e
sabendo sua demanda doméstica média (suas contas de serviços públicos
informam a quantidade de energia que você gasta em cada mês), existem
métodos simples para determinar exatamente quantos módulos você vai
precisar. Você também vai precisar saber a voltagem do sistema, que você
pode controlar decidindo quantos módulos deve cabear em série.

Você já deve ter percebido quantos problemas vamos ter que
resolver. Primeiro, o que fazer quando o sol não sair? Certamente,
ninguém iria querer ter apenas eletricidade durante o dia e apenas em
dias claros. Precisamos armazenar energia, baterias.
Infelizmente, as baterias aumentam muito o custo e a manutenção do
sistema PV. Porém, atualmente é uma necessidade se você quiser ser
completamente independente. Uma forma de contornar o problema é associar
sua casa a uma rede de serviços públicos,
comprando energia quando necessário e vendê-la quando produzir demais.
Desta forma, o serviço público atua praticamente como um sistema de
armazenamento infinito. O serviço público tem que concordar e, na
maioria dos casos, comprarão a energia de você a um valor bem menor do
que o preço de venda deles. Você também vai precisar de um equipamento
especial para ter certeza de que a energia que está vendendo para o
serviço público está sincronizado com o deles, isto é, se compartilha as
mesmas formas de ondas e freqüência. A segurança também é um problema. O
serviço público tem que assegurar que, se houver interrupção de energia
em seu bairro, seu sistema PV não fornecerá eletricidade para as linhas
que eles acham que estão inutilizadas. Isto é chamado de isolamento.

Se você decidir usar baterias, tenha em mente que elas precisarão
de manutenção e substituição depois de alguns anos. A duração dos
módulos PV deve ser de 20 anos ou mais, mas as baterias não têm um tempo
de vida útil tão longo assim. As baterias nos sistemas PV também podem
ser muito perigosos por causa da energia que elas armazenam e dos
eletrólitos acidíferos que elas contêm, então você vai precisar de um
lugar muito bem ventilado e não metálico para elas.

Embora muitos tipos diferentes de baterias sejam usados, a única característica que todas elas devem ter em comum é serem baterias de ciclo profundo.
Diferentemente da bateria de seu carro, que é uma bateria de
ciclo-baixo, as baterias de ciclo profundo podem descarregar mais a
energia armazenada enquanto mantiverem uma longa vida. Para dar a
partida no carro, as baterias descarregam uma grande corrente num
período muito curto e, imediatamente, recarregam enquanto você dirige.
As baterias PV geralmente tem que descarregar uma corrente menor em um
período maior (como durante a noite toda), enquanto é carregada durante o
dia.

As baterias de ciclo-profundo mais usadas são as baterias de chumbo (ambas seladas e ventiladas) e as baterias de níquel-cádmio.
As baterias de níquel-cádmio são mais caras, mas duram mais e podem ser
descarregadas mais por completo sem causar danos. Mesmo as baterias de
chumbo de ciclo profundo não podem ser descarregadas 100% sem reduzir
seriamente o tempo de vida e, geralmente, os sistemas PV são projetados
para descarregar as baterias de chumbo não mais de 40 ou 50%.

O uso das baterias também requer a instalação de outro componente chamado controlador de carga. Elas
duram muito mais se tomar cuidado para que não sejam sobrecarregadas ou
descarregadas demais. É isso que o controlador de carga faz. Uma vez
que as baterias estejam totalmente carregadas, o controlador não deixa
que a corrente dos módulos PV continuem fluindo para eles. Também, uma
vez que as baterias tenham sido descarregadas até certo nível,
controladas pela medição de voltagem, muitos controladores de carga não
permitirão que mais corrente seja drenada das baterias até que elas
tenham sido recarregadas. O uso do controlador de carga é essencial para
a vida longa da bateria.

Outro problema é que a eletricidade gerada por seus módulos PV (e
extraída das baterias se você optar por usá-las) é uma corrente direta,
enquanto que a eletricidade fornecida pela empresa de energia (e o tipo
que todo aparelho em sua casa usa) é a corrente alternada. Você vai
precisar de um inversor, um aparelho que converte a DC
(corrente direta) para a CA (corrente alternada). A maioria dos grandes
inversores também permitirão que controle automaticamente como seu
sistema funciona. Alguns módulos PV, chamados de módulos CA,
na verdade, já têm um inversor embutido em cada um, eliminando a
necessidade de uma grande central inversora e simplificando os problemas
de instalação elétrica.

Esquema geral de um sistema FV residencial com armazenamento de bateria

Adicione ao “hardware” de montagem instalação elétrica, caixas de
junção, equipamento de aterramento, proteção de sobrecarga, dispositivos
de segurança para desconectar sistemas usando CC e CA e outros
acessórios, assim, você terá seu sistema. As normas elétricas devem ser
seguidas, e é altamente recomendado que a instalação seja feita por um
eletricista licenciado e que tenha experiência com sistemas FV. Uma vez
instalado, o sistema FV requer pouca manutenção (especialmente se
nenhuma bateria for usada) e fornecerá eletricidade limpa e clara por 20
anos ou mais.

Se os fotovoltaicos são uma fonte tão boa de energia grátis, então,
por que o mundo todo não usa energia solar? Algumas pessoas têm um
conceito errado da energia solar. Enquanto a energia da luz solar é
grátis, a eletricidade gerada pelos sistemas FV não é. Como você pode
perceber, para se ter um sistema doméstico FV, muito equipamento é
necessário. Atualmente, um sistema FV instalado vai custar em torno de US$9 por Watt. Para dar uma idéia de quanto custa um sistema doméstico, vamos considerar a Casa Solar
(em inglês) – uma residência modelo em Raleigh, Carolina do Norte, com
um sistema PV montado pelo Centro Solar local para demonstrar a
tecnologia. É uma casa razoavelmente pequena e estima-se que seu sistema
PV de 3,6 kW cobre cerca da metade da eletricidade necessária total
(este sistema não usa baterias, é conectado à rede). Ainda assim, a 9
dólares por Watt, este sistema instalado custaria cerca de 32 mil
dólares.

Esta é a razão pela qual o FV é geralmente usado em áreas remotas,
longe das fontes convencionais de eletricidade. Hoje, ele não pode
competir com os serviços públicos. De qualquer modo, os custos estão
reduzindo à medida que a pesquisa está sendo feita. Os pesquisadores
estão confiantes que o FV um dia terá um custo eficaz nas áreas urbanas
bem como em áreas remotas. Parte do problema é que a fabricação precisa
ser feita em larga escala para reduzir os custos o máximo possível.
Entretanto, o tipo de demanda para o FV não existirá até que os preços
caiam a níveis competitivos. É uma situação sem saída. Mesmo assim, a
demanda e a eficiência do módulo estão constantemente aumentando, os
preços caindo, e o mundo está se conscientizando cada vez mais dos
problemas ambientais associados às fontes convencionais de energia,
fazendo dos fotovoltaicos uma tecnologia com um futuro brilhante.sim, não..