PEQUENA HISTÓRIA DA

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Para falarmos sobre energia solar fotovoltaica, primeiro precisamos saber como a energia solar é gerada. O Sol é formado por aproximadamente 74% de hidrogênio, 24% de hélio e traços de outros elementos, tais como oxigênio, ferro, níquel, enxofre, magnésio, cálcio, cromo, entre outros. 

A energia solar vem das reações que acontecem no seu núcleo, que atua como um imenso reator nuclear mantido a altíssima temperatura e pressão, ambiente favorável para acontecer reações termonucleares. A principal reação é a de fusão nuclear de 4 núcleos atômicos de Hidrogênio (H), que formam o núcleo do átomo do elemento Hélio (He). Nesta reação, o núcleo do elemento Hélio mantém aproximadamente 70% da massa inicial dos núcleos de Hidrogênio, sendo que os 30% restantes são liberados na forma de energia. Esta imensa quantidade de energia viaja do núcleo do Sol até a superfície e se transforma em luz e calor, que se propagam pelo espaço na forma de ondas eletromagnéticas.

O termo fotovoltaico vem da associação das palavras foto, do grego photos, que significa luz, e voltaica, proveniente de volta, em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta, que inventou a pilha elétrica em 1799.
A transformação da energia contida na radiação luminosa em energia elétrica é um fenômeno físico conhecido como efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico foi relatado primeiramente em 1839, pelo cientista francês Alexandre Edmond Becquerel, que estava estudando uma pilha eletrolítica com eletrodos de platina mergulhados em um eletrólito e observou um pequeno aumento na corrente elétrica produzida quando o conjunto era exposto ao sol. Em 1877, os pesquisadores ingleses William Grylls Adams e Richard Evans Day observaram o efeito fotovoltaico em um elemento no estado sólido, o Selênio (Se?), um elemento químico que apresenta a característica de semicondutor elétrico, ou seja, possui uma condutividade elétrica intermediária entre os condutores, algo entre os metais e os isolantes.

Embora as quantidades de eletricidade produzidas nesses experimentos fossem mínimas, o que descartava qualquer aplicação prática, ficou demonstrada a possibilidade de se transformar a luz solar em eletricidade por meio de elementos sólidos, sem o uso de partes móveis ou soluções aquosas. Em 1883, o inventor americano Charles Fritz criaria a primeira célula solar de Selênio. Ele recobriu uma placa de Selênio semicondutor com pó de ouro, formando junções. Essa célula apresentava uma eficiência de conversão de 1%, ou seja, a cada 100 Watts.hora (Wh) de unidades de energia provenientes da radiação solar, apenas 1 Wh de energia elétrica era gerada, aproximadamente. 

As pesquisas realizadas no século XIX e começo do século XX proporcionaram conhecimentos experimentais que, aliados aos estudos teóricos de Albert Einstein apresentados em 1905, permitiram a explicação do efeito fotoelétrico, que é o alicerce da conversão de energia solar em eletricidade, e levaram a um aumento do interesse na produção de eletricidade a partir da radiação solar. Já no século XX, vários estudos foram realizados em todo o mundo, mas independentemente da importância acadêmica dos resultados obtidos, uma aplicação prática do fenômeno fotovoltaico apenas foi concretizada em 1953, quando Gerald Pearson, do Bell Laboratories, desenvolveu uma célula fotovoltaica usando Silício (Si) com eficiência maior que todos os experimentos realizados até então com Selênio. Esta célula, independente dos seus avanços, ainda apresentava algumas dificuldades que foram em boa parte sanadas por Daryl Chaplin e Calvin Fuller, também do Bell Laboratories. Em 1954, produziram células solares de Silício capazes de gerar energia elétrica suficiente para inúmeras aplicações práticas. Estas células apresentavam características semelhantes às usadas atualmente e com eficiência de 6%, aproximadamente. As células foram associadas na forma de placas/painéis, dando origem aos painéis fotovoltaicos tal como conhecidos hoje, como produtores de eletricidade.

Independente do sucesso dos trabalhos realizados pelo Bell Laboratories, o alto custo da eletricidade gerada por painéis fotovoltaicos limitava a sua aplicação. A solução para esta dificuldade aconteceu com o início do programa aeroespacial nos EUA, por volta de 1955. A aplicação de painéis solares nas novas aeronaves foi um sucesso absoluto, e contribuiu tanto para a emergente indústria de painéis, que passou a ter dinheiro para investir em pesquisa e desenvolvimento, e para o setor aeroespacial, pois permitiu a substituição das baterias que apresentavam peso excessivo e vida útil muito curta, se comparado com o tempo de muitos dos programas espaciais. O quadro abaixo mostra o avanço dos sistemas fotovoltaicos nos primeiros 15 anos da corrida aeroespacial. 

 

 

O uso da tecnologia fotovoltaica em satélites foi também acompanhado pela então União Soviética com igual sucesso. Cabe comentar que esta parceria contribuiu em boa parte para o sucesso dos programas espaciais e o rápido desenvolvimento dos sistemas solares fotovoltaicos.
Entre os materiais semicondutores que apresentam o efeito fotoelétrico, os mais estudados são o Selênio (Se); o Silício (Si) monocristalino, policristalino e amorfo; Arseneto de Gálio (GaAs); Disseleneto de Cobre e Índio (CuInSe2); Disseleneto de Cobre, Gálio e Índio (CuInGaSe2) e, Telureto de Cádmio (CdTe). A escolha destes materiais para uso em sistemas comerciais leva em consideração as características de absorção de radiação luminosa, disponibilidade, custo de fabricação, além dos impactos ambientais causados em sua fabricação e descarte final. Diante disso, o Silício, nas suas diferentes formas, tem sido o material mais utilizado.

Independente do grande sucesso do uso dos painéis fotovoltaicos em projetos espaciais, o seu alto custo ainda limitava o seu uso em aplicações terrestres. A aplicação desta tecnologia começou a ser competitiva a partir do início da década de 70. Contribuíram para isto alguns avanços tecnológicos que reduziram significativamente o preço dos painéis fotovoltaicos e as crises do petróleo em 1969 e 1973, que elevaram substancialmente os preços do petróleo, seus derivados e demais combustíveis fósseis, como o carvão mineral e o gás natural. 

Desta forma, os painéis fotovoltaicos começaram a ser usados como fonte de energia em bóias marítimas de iluminação, faróis, sistemas de telecomunicações, sistemas de iluminação em rodovias e ferrovias, em bombas para retirada de água em zona rural e como fonte de energia em locais isolados (off grid), distantes de linhas de transmissão elétrica. Em todas estas aplicações, o uso de sistemas fotovoltaicos mostrou-se mais interessante economicamente e mais simples de serem operados que os tradicionais bancos de bateria, com custos de manutenção elevados e pequena vida útil. A partir do fim da década de 70, os usos em aplicações terrestres superaram as aplicações espaciais.

Na década de 80 foi observado um grande crescimento do uso de sistemas fotovoltaicos, mas ainda restrito, principalmente, às áreas não atendidas por redes elétricas. Neste período foi observado o início do uso destes sistemas em áreas urbanas de países desenvolvidos, motivado por questões ambientais. Na década de 90 e nos primeiros anos deste século, foi observado uma redução significativa nos preços da tecnologia fotovoltaica e o aumento na eficiência dos sistemas fotovoltaicos. Estas características associadas à crescente conscientização ambiental da população, principalmente dos países desenvolvidos, e o apoio por parte dos governos de alguns países preocupados com a redução do uso de combustíveis fósseis e a melhoria das condições climáticas, proporcionaram um contínuo e acelerado uso de sistemas fotovoltaicos em países desenvolvidos. Neste período cabe destacar a ação da Alemanha, Japão, Espanha, Coreia do Sul e  Israel. Em 2000, foram implementados os primeiros sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição (on grid) na maioria dos países desenvolvidos, o que contribuiu para o aumento no uso desta tecnologia.

Já a segunda década do século XXI foi marcada pela entrada da China na produção em massa de sistemas fotovoltaicos, bem como na implantação de grandes usinas fotovoltaicas. Com isso, fabricantes de todo o mundo passaram a investir em pesquisa, desenvolvimento e, naturalmente, a uma significante redução nos preços destes equipamentos, levando a um grande crescimento no uso desta tecnologia em todo o mundo. Para confirmar esta informação, a produção mundial de energia solar fotovoltaica passou de 23 para 627 GigaWatts (GW) entre 2009 e 2019, o que corresponde a um aumento de 2.726%. No final de 2019, os maiores produtores de energia fotovoltaica em capacidade instalada acumulada no mundo foram a China (204,7 GW), EUA (75,9), Japão (63,0), Alemanha (49,2) e Índia (42,8). Nesta comparação, o Brasil ocupava a 16ª colocação (4,5 GW). 

Com relação ao Brasil, a publicação das RESOLUÇÕES NORMATIVAS 482, de 17 de abril de 2012 e a REN 687 de 24 de Novembro de 2015 estabeleceram as condições para difusão da tecnologia fotovoltaica, o que elevou a geração de 7 para 7.470 MegaWatts entre 2012 e dezembro de 2020, um crescimento de 106.714 %. Independente de todo este fantástico crescimento, a contribuição da energia solar fotovoltaica na matriz elétrica brasileira em dezembro de 2020 foi de apenas 1,6 %. Já a participação dos combustíveis fósseis foi de 15,2 %, o que mostra o quanto o uso de energia solar fotovoltaica ainda tem para crescer no Brasil. 

Com todo o crescimento observado nos últimos anos, fica até difícil prever o futuro da energia solar fotovoltaica no Brasil e no mundo, mas com certeza o uso desta tecnologia será contínuo e crescente devido a várias razões. Vamos citar algumas:

** a energia solar fotovoltaica é inesgotável, não poluente, não produz ruído e não gera resíduos;

 

** o preço desta energia diminui continuamente em função da redução do custo de fabricação e do aumento da eficiência dos painéis fotovoltaicos;

 

** gera milhares de empregos qualificados em todo o mundo;

 

** além das tradicionais células fotovoltaicas usadas nos painéis fotovoltaicos, dispõe-se atualmente de células de silício cristalino coloridas, destinadas à integração arquitetônica; células em filmes finos para aplicação em superfícies rígidas ou flexíveis, para aplicações arquitetônicas ou em diferentes tipos de equipamentos; células orgânicas e de corantes para aplicação em superfícies flexíveis, como uma garrafa PET; células para concentração da radiação solar e multijunção, que já alcançam eficiência maior que 50% em escala de laboratório, frente a uma eficiência pouco maior que 20% das células de Silício cristalino atuais;

** a regulamentação em andamento das usinas híbridas, onde diferentes fontes energéticas renováveis como a solar e a eólica compartilham o mesmo terreno, a mesma  conexão com a rede elétrica e demais sistemas auxiliares que podem gerar redução no investimento, complementaridade na geração e otimização do uso da rede e menor custo na operação, entre outros desenvolvimentos. 

 

Referências bibliográficas:

 

MANUAL DE ENGENHARIA PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Organizadores: João Tavares Pinho e Marco Antônio Galdino

CEPEL - CRESESB, Edição Revisada e Atualizada

Rio de Janeiro - Março 2014 

www.cresesb.cepel.br 

 

 

O IMPERATIVO ENERGÉTICO: 100 % DE ENERGIAS RENOVÁVEIS JÁ!

Autor: Dr. Hermann Scheer

Tradução, revisão e publicação: MME / CEPEL / CRESESB

Rio de Janeiro - 2019 

 

OS SISTEMAS DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA -

LIVRO DIGITAL DE INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS SOLARES 

Autor: Ronilson de Souza - BlueSol EDUCACIONAL

www.blue-sol.com.br 

 

LIVRO DIGITAL COMPLETO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA

Edição e diagramação: Equipe da Soliens Virtual Academy

www.soliens.com.br 

 

 

RENEWABLES 2020 GLOBAL STATUS REPORT / REN21 - RENEWABLE ENERGY POLICY NETWORK

www.ren21.net

 

 

New Energy Outlook 2019 - Bloomberg Nef

about.bnef.com/new-energy-outlook/ acesso em 10.10.2020.

 

 

Energia Solar Fotovoltaica no Brasil - Infográfico ABSOLAR

Atualizado em 01/10/2020 l nº 24  www.absolar.org.br acesso em 27.10.2020.

 

 

La historia de la energía solar fotovoltaica - Portal de energías renovables

sitiosolar.com acesso em 09.10.2020.

 

 

O que é energia solar?

pt.solar-energia.net acesso em 09.10.2020