09 de Abril de 2010
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.

 

Avião solar

O Solar Impulse, avião com motores alimentados por energia solar, fez seu primeiro voo, de uma hora e meia.

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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.

Scott Aldous.  "HowStuffWorks - Como funcionam as células solares".  Publicado em 01 de abril de 2000  (atualizado em 03 de março de 2010) http://ambiente.hsw.uol.com.br/celulas-solares.htm  (08 de abril de 2010)
publicado por adm às 23:24

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