Energia fotovoltaica: conversão de energia solar em eletricidade

A energia solar fotovoltaica, conversão de energia solar em eletricidade, é uma fonte de eletricidade limpa pois o seu funcionamento não tem emissões indesejáveis, e renovável, devido à natureza inesgotável do sol. Tem, além disso, outras vantagens como o longo tempo de vida dos seus equipamentos (da ordem dos 30 anos), a sua baixa manutenção (só é preciso prestar alguma atenção aos acumuladores) e as suas modularidade e portabilidade. Neste artigo descreve-se o princípio de funcionamento das células fotovoltaicas e alguns aspectos da sua integração em sistemas de eletricidade solar. Abordar-se-ão ainda alguns aspectos que por vezes parecem ensombrar as virtudes da energia solar eléctrica, nomeadamente a eficiência de conversão e o tempo de retorno energético.

O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmund Becquerel, que produziu uma corrente eléctrica ao expor à luz dois eléctrodos de prata num eletrólito . Em 1877, W.G. Adams e R.E. Day construíram a primeira célula solar baseada em dois eléctrodos de selénio que produziam uma corrente eléctrica quando expostos à radiação mas a eficiência destes sistemas era tão reduzida que o desenvolvimento de células solares realmente interessantes teve que esperar por uma compreensão mais completa dos materiais semicondutores. Só em 1954, D.M. Chapin e colaboradores, do Bell Laboratory, nos Estados Unidos da América, publicaram o primeiro artigo sobre células solares em silício – ao mesmo tempo que registavam a patente de uma célula com uma eficiência de 4.5%.

Uma célula fotovoltaica simples consiste basicamente num díodo de grande área, i.e. um substrato de material semicondutor onde é criado um campo eléctrico interno permanente (chamado junção pn). Quando a radiação atinge um átomo do semicondutor este liberta um electrão que pode ser conduzido pelo campo eléctrico interno para os contatos, contribuindo assim para a corrente produzida pela célula fotovoltaica.

O material de eleição para as células fotovoltaicas é o silício cristalino. As razões para esta escolha estão associadas às características únicas deste material, nomeadamente a sua abundância no planeta (cerca de 30%, no conjunto dos elementos que constituem a crosta terrestre), a sua não-toxicidade, o facto de ser a matéria-prima da industria eletrônica (e portanto ter sido alvo de uma investigação extraordinariamente detalhada nas últimas décadas) e uma série de vantagens técnicas (em particular hiato apropriado à radiação solar, baixo coeficiente de segregação de metais, facilmente dopável, óxido passivante, etc).

A maior desvantagem das tecnologias baseadas no silício cristalino é o facto de exigirem espessuras de células relativamente elevadas (cerca de 0.2 mm em vez de 0.001 mm para as células com filmes finos) com o consequente aumento de custo das matérias primas por unidade de área de painel. Este problema tem-se sentido especialmente porque o crescimento explosivo do mercado fotovoltaico, em particular em países como Alemanha e Japão, levou a um excesso de procura e à quase ruptura dos stocks de silício cristalino em 2006-2007. No entanto a industria respondeu rapidamente e estão já anunciados, ou em fase de instalação, várias projectos de produção em larga escala de silício cristalino apropriado para a fabrico de células solares (a que se chama habitualmente “silício solar”). Naturalmente, outras tecnologias fotovoltaicas, como os referidos filmes finos – que podem ser de silício amorfo, cádmio-telério (CdTe) ou cobre-índio-desilenio (CuInSe2 ou CIS) – têm aproveitado esta janela de oportunidade para gradualmente se introduzirem no mercado, embora só correspondam a uma pequena fracção do mercado global fotovoltaico.

A célula solar fotovoltaica é o elemento essencial da conversão da radiação solar em energia eléctrica. Cada célula individual, com cerca de 100mm², gera aos seus terminais uma tensão entre 0.5 e 1 V, com uma corrente típica em curto circuito de algumas dezenas de miliamperes. Esta intensidade da corrente é razoável mas a tensão é demasiado pequena para a generalidade das aplicações pelo que normalmente as células são montadas em série em em painéis solares, com 28 a 36 células, gerando tensões DC da ordem dos 12V em condições padrão de iluminação. Estes módulos fotovoltaicos podem ser utilizados individualmente ou montados em série e/ou em paralelo, de modo a obterem-se maiores tensões e/ou correntes, conforme as necessidades da aplicação em concreto.

Uma vez que a energia eléctrica gerada por um sistema fotovoltaico é intermitente e imprevisível, já que depende não só das variações dia/noite mas também das condições climatéricas, na grande generalidade das aplicações é necessário prever alguma forma de armazenamento e/ou geração auxiliar de eletricidade. No caso de existir localmente uma ligação à rede de distribuição de eletricidade, a solução mais simples consiste em fornecer à rede eléctrica o excedente produzido, disponibilizando-a para outros consumidores, e utilizar eletricidade fornecida pela rede eléctrica sempre que o sistema não gerar energia eléctrica (nomeadamente no período noturno).

Para pequenos sistemas, para aplicações como sistemas de telecomunicações ou sistemas domésticos isolados de pequenas dimensões (SHS, Stand alone systems), a solução mais comum para acumular a eletricidade fotovoltaica é baseada em baterias eletroquímicas, tradicionalmente de chumbo ou de níquel-cádmio. Este tipo de baterias pode acrescentar um custo significativo ao preço do sistema e exige custos de manutenção mais ou menos regulares.

Existem outros tipos de soluções, apropriadas para sistemas de maiores dimensões, que são denominadas sistemas de armazenagem de eletricidade de grande capacidade. Aí destacam-se, pela sua simplicidade, os sistemas de bombeamento de água. Durante os períodos de pouca procura utiliza-se a eletricidade fotovoltaica excedente para bombear água de um reservatório a baixo nível para um outro reservatório mais elevado. Durante os períodos em que a procura é maior, esta água que foi bombeada para o reservatório mais elevada pode ser utilizada para atuar em turbinas, reconvertendo a energia potencial gravítica em energia eléctrica. A eficiência deste processo de conversão é da ordem dos 60%, o que significa que cerca de 2/3 da eletricidade original é recuperada.

A eletricidade também pode ser armazenada sob a forma de ar comprimido. Esta técnica é mais complexa do que a dos sistemas de bombeamento de água mas apresenta algumas vantagens relevantes, nomeadamente uma maior densidade energética (exigindo portanto reservatórios mais pequenos, para uma mesma capacidade) e maior flexibilidade para o local de instalação (existindo projectos de demonstração utilizando reservatórios subterrâneos).

A acumulação de eletricidade fotovoltaica baseada no hidrogênio é também muita vezes apresentada como uma solução interessante, sobretudo num futuro a médio prazo. O hidrogênio como vector energético tem a vantagem de poder ser transportado economicamente por pipeline, podendo ser utilizado para voltar a produzir energia eléctrica em células de combustível. As eficiências de conversão, limitadas pelo rendimento da electrólise, são para já o grande óbice ao desenvolvimento desta alternativa.

Existem ainda outros processos de acumulação de energia eléctrica, como sistemas magnéticos supercondutores ou sistemas de armazenamento de energia mecânica (flywheel) embora estas pareçam ser soluções intrinsecamente mais dispendiosas.

Nos sistemas fotovoltaicos mais simples os painéis solares são ligados diretamente à carga, fornecendo eletricidade quando se verificam as condições adequadas de iluminação. É o caso de bombeamento de água com motores DC. Subindo o nível de complexidade, em seguida temos os sistemas com acumulador de energia eléctrica, sem sistemas auxiliares de geração. Neste caso é necessário introduzir um regulador de tensão para evitar a sobrecarga das baterias em caso de períodos de muita iluminação. Em aplicações que exijam corrente alternada, a corrente DC que sai dos painéis deve ser convertida em corrente AC, o que é realizado utilizando um inversor. O inversor pode ainda ajustar a tensão de saída mais apropriada à aplicação em causa, usualmente produzindo tensões de 220V-AC. Finalmente, os sistemas fotovoltaicos podem ainda incluir um sistema auxiliar de geração de eletricidade (que pode ser uma ligação à rede eléctrica) para superar situações de deficiente iluminação.

Figura 3: Sistema fotovoltaico. O controlador serve não só de interface entre os diversos componentes do sistema mas pode ainda ter outras funções como regulador de tensão para proteção das baterias, controlo da operação do sistema gerador auxiliar (backup) e adaptador/inversor de tensão mais adequada à carga.

A eficiência de conversão, ou rendimento, de uma célula fotovoltaica é definido como o quociente entre a potência da luz que incide na superfície da célula fotovoltaica e a potência eléctrica disponível aos seus terminais. A termodinâmica impõe um limite máximo à taxa da eficiência da conversão fotovoltaica (como de resto a todos os processos de transformação de energia) e a própria arquitetura das células fotovoltaicas reduz ainda mais a eficiência máxima das células.

A atual recordista mundial de eficiência de conversão fotovoltaica é uma célula GaInP/GaInAs/Ge da Spectrolab, com 39% de eficiência. Para células de silício, o valor máximo obtido é de 24.4%. Estas células de alta eficiência são dispositivos que requerem uma tecnologia muito complexa como, por exemplo, processos especiais de texturização da superfície, para reduzir a reflectividade da célula, ou a criação de campos eléctricos na traseira da célula para reduzir a recombinação. As células produzidas a nível industrial apresentam eficiências típicas da ordem dos 15%.

A relativamente baixa eficiência de conversão fotovoltaica das células solares é por vezes apresentada como a principal razão para a fraca implementação da energia solar eléctrica. Trata-se de uma afirmação pouco fundamentada pois, por um lado, são muitos os exemplos de processos e dispositivos com eficiências comparáveis (por exemplo a eficiência dos motores de combustão interna, com um século de desenvolvimento tecnológico, apresentam eficiências da ordem dos vinte por cento). Por outro lado, atendendo a que o “combustível” dos painéis fotovoltaicos é a radiação solar, abundante e gratuita, a única implicação da relativa baixa eficiência é a necessidade, para se obter uma determinada potência eléctrica, ser necessária uma maior área de painéis.

A pergunta que então nos ocorre naturalmente é: qual será a área necessária para produzir a eletricidade que precisamos? Comecemos por considerar a radiação solar média em Portugal, que é 1500 kWh/m2/ano. Assumindo um eficiência de conversão de 15% temos 225 kWh/m2/ano de eletricidade solar. Como o consumo nacional é da ordem de 4.5x1010 kWh/ano seriam precisos 200 km2 de painéis solares para produzir toda essa eletricidade. Dividindo pelo número de habitantes, 10 milhões, significa que cada português precisaria de 20 m2 de painéis fotovoltaicos, com a tecnologia atual, para produzir toda a eletricidade que consumimos (não só o consumo doméstico individual mas também o consumo de eletricidade na industria e nos serviços). Esta área corresponde a cerca de 20% da área de asfalto nas estradas nacionais!

Podemos então concluir que o obstáculo à expansão da energia solar fotovoltaica não é a sua eficiência mas o custo dos painéis (por unidade de energia produzida). Sobre as estratégias para enfrentar o problema do custo debruçar-nos-emos num próximo artigo.

Um outro aspecto que ciclicamente regressa ao debate da energia solar fotovoltaica é o chamado tempo de retorno energético, ou seja, a afirmação de que a energia que se gasta para produzir um painel solar é mais do que a energia que ele vai produzir ao longo da vida. Se assim fosse, os painéis solares eléctricos seriam na verdade consumidores de energia, e consequentemente emissores de gases de efeito de estufa que dizem tentar combater.

Esta afirmação não tem qualquer fundamento. O tempo de retorno energético para os painéis solares eléctricos típicos em condições standard de iluminação é da ordem de 2 ou 3 anos o que significa que, atendendo a que o tempo médio de vida de um painel solar é de pelo menos 30 anos, o painel irá produzir ao longo da sua vida cerca de dez vezes mais energia do que aquela que foi gasta no seu fabrico. Naturalmente que isto significa que um sistema fotovoltaico mal instalado, por exemplo numa fachada vertical que não esteja convenientemente exposta à radiação solar, vai levar mais anos a recuperar o investimento energético (e monetário!) que foi feito para o seu fabrico e instalação.

Meio século depois da primeira célula fotovoltaica moderna, a produção de energia eléctrica por conversão da radiação solar é hoje uma promissora tecnologia, limpa e renovável, para a produção de eletricidade. Portugal, em particular, oferece condições exemplares para a utilização da tecnologia fotovoltaica para reduzir a sua factura energética e as suas emissões de gases de efeito de estufa associadas à produção de eletricidade utilizando combustíveis fósseis.

A utilização de eletricidade solar em mais larga escala está ainda limitada por factores tecnológicos mas sobretudo pelo elevado custo por unidade de energia produzida. Num artigo futuro propomo-nos abordar os meios para ultrapassar estes obstáculos.