Energias Renováveis: A Energia Solar Fotovoltaica

  • Autora: Aline dos Santos Silva, bolsista no Espaço Ciência Viva.
  • Orientadora: Eleonora Kurtenbach, Professora Titular da Universidade Federal do Rio de Janeiro.
  • Revisão: Paulo Henrique Colonese – Serviço de Itinerância do Museu da Vida Fiocruz

Nesta matéria, vamos explorar o funcionamento de um painel solar e como ocorre a transformação da energia luminosa em energia elétrica.

Um pouco sobre a energia solar…

A energia solar divide-se em dois tipos: térmica e fotovoltaica.

A energia solar térmica tem o objetivo de aquecer fluidos, como a água, através de um sistema de aquecimento. Esse sistema é composto por dutos por onde passam os fluidos que, em seguida, são armazenados em um tanque térmico. É utilizada para aquecimento de água, de ambientes como residências e comércio e também por indústrias.

Esquema demonstrativo do uso da energia solar térmica. Fonte: acervo pessoal do Espaço Ciência Viva

A energia solar fotovoltaica será abordada nesta matéria. Vamos explorar um pouco sobre ela?

O que são energias renováveis, sustentáveis e limpas?

Energias renováveis são fontes de energia naturalmente reabastecidas com o tempo e substituem o uso de combustíveis fósseis, como o carvão mineral e derivados do petróleo. A energia solar térmica, energia solar fotovoltaica, energia eólica e energia hidrelétrica são exemplos de energias renováveis.

São consideradas sustentáveis pois existe um equilíbrio entre a sua utilização e a reposição na natureza. Assim, não ocorre a degradação da mesma. A energia sustentável deve estar relacionada com a preservação do meio ambiente e o desenvolvimento social e econômico.

Para serem consideradas limpas elas precisam reduzir o impacto ambiental, de modo a não gerar resíduos como o dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4). Assim, elas protegem a saúde humana e o meio ambiente. Nesse sentido, a energia hidrelétrica não é considerada como uma energia limpa, pois possui alto grau de impacto ambiental.

Energia solar fotovoltaica residencial

O Sol é uma fonte de energia abundante e inesgotável na escala de vida humana e, por isso, se torna um elemento muito relevante quando o assunto é energia renovável. Sua energia pode ser capturada e, posteriormente, transformada em eletricidade tanto para uso residencial quanto para uso comercial e industrial. 

Para capturar a energia solar são utilizados os painéis solares, também conhecidos como placas fotovoltaicas, formados por células fotovoltaicas compostas por um componente semicondutor e ligadas a uma bateria ou a um quadro de luz. Todo esse processo é realizado através da instalação de um sistema fotovoltaico.  

Vamos explorar cada um dos componentes desse sistema? 

PAINEL FOTOVOLTAICO 

Responsável pela captação dos raios solares e a transformação da energia solar em energia elétrica. Cada painel é composto por uma quantidade de células fotovoltaicas conectadas, mais comumente, em série. A quantidade de painéis em um sistema fotovoltaico depende da quantidade de energia necessária para o local de instalação. 

Esquema de componentes de um painel fotovoltaico. Fonte: acervo pessoal do Espaço Ciência Viva 

CÉLULAS FOTOVOLTAICAS 

Um dos componentes do painel fotovoltaico e o local onde ocorre a transformação da luz em eletricidade. A corrente elétrica é gerada nas células fotovoltaicas através do efeito fotovoltaico. Esse efeito ocorre em materiais chamados semicondutores, como por exemplo o Silício (Si) que é o mais tradicionalmente usado na produção dos painéis fotovoltaicos. O Silício possui duas bandas, sendo uma banda de valência, onde é permitida a presença de elétrons, e uma banda condutora (vazia).

No processo de produção de uma célula fotovoltaica, o Silício recebe em uma metade átomos de Boro (B) – essa metade recebe a nomenclatura p – e na outra metade átomos de Fósforo (P) – essa metade recebe a nomenclatura n. Assim, forma-se uma junção conhecida como junção pn. Nessa junção ocorre a passagem de elétrons livres do lado n para o lado p, fazendo com que o lado p fique negativamente carregado. Por perder elétrons, o lado n fica positivamente carregado. Quando a junção pn é exposta a fótons com energias superiores, esses elétrons são acelerados, gerando uma corrente elétrica.

Esquema do Efeito Fotovoltaico. Fonte: acervo pessoal do Espaço Ciência Viva 

CONTROLADORES DE CARGAS 

Possuem o objetivo de evitar sobrecargas ou descargas elevadas na bateria, prolongando a sua vida útil. 

BATERIAS 

São responsáveis pelo armazenamento de energia. Assim, a energia proveniente do sistema pode ser utilizada quando não há incidência solar como, por exemplo, à noite. 

INVERSORES 

Os inversores são responsáveis por transformar a corrente contínua (DC), proveniente da bateria, em corrente alternada (AC), utilizada nas residências.

Tipos de Sistemas Fotovoltaicos

Sistema Off-Grid 

Esse tipo de sistema não tem ligação com a rede elétrica. Ele é um sistema isolado, formado pelos painéis solares, controlador de cargas, baterias e inversor. É uma opção de sistema a ser usado em locais isolados e de difícil acesso a redes elétricas. 

Sistema On-Grid 

Os sistemas On Grid são ligados diretamente à rede elétrica. Nesse tipo de sistema, o consumidor final também é produtor de energia. É utilizado por consumidores que desejam diminuir gastos com energia de redes elétricas, assim como utilizar energia limpa e sustentável. É composto de painéis solares, inversor solar e medidor de energia. 

Sistema híbrido 

Esse sistema permite a utilização de mais de um tipo de sistema de geração de energia. Pode ser composto por sistema fotovoltaico, sistema eólico, rede elétrica entre outros, de forma a otimizar o uso de diversas formas de energia. 

Usinas ou centrais solares 

As usinas solares, também chamadas de parques solares ou centrais solares, são regiões abertas preenchidas com diversos painéis solares. Possuem o objetivo de armazenar energia solar para, posteriormente, distribuir na região em que se encontra.

O Brasil conta com diversas usinas solares, como a Elera Renováveis, em Janaúba (MG), Enel Green Power, em São Gonçalo do Gurguéia (PI) e Essentia Energia, em Oliveira dos Brejinhos (BA).

Para saber mais sobre as usinas solares brasileiras, visite:

Como funciona o Sistema Fotovoltaico

Agora que cada um dos componentes de um sistema fotovoltaico foi apresentado, vamos entender como funcionam os sistemas Off-Grid e On-Grid. A captação da energia solar ocorre da mesma maneira nos diversos tipos de sistema, o que muda é a forma como essa energia é transmitida para a residência. Assim, utilizaremos o texto abaixo para exemplificar a parte em comum dos sistemas. 

Em um dia ensolarado, os raios de sol carregados de energia solar presentes nos fótons chegam até as placas fotovoltaicas. Ao passarem pelas placas, atingem as células fotovoltaicas e, consequentemente, os materiais semicondutores. Por conta da alta energia dos fótons, alguns elétrons presentes nos semicondutores negativos são ejetados. Como as placas são ligadas a um circuito elétrico, esses elétrons ejetados dão origem a uma corrente elétrica.  

SISTEMA OFF-GRID 

Essa corrente elétrica passa pelo controlador de carga –  que tem a função de evitar que cargas muito altas passem adiante –  e é direcionada para uma bateria – responsável pelo armazenamento da energia – e também para o inversor de carga – ele transforma a corrente elétrica contínua em corrente elétrica alternada. Após ser transformada, essa energia elétrica pode ser usada pelos moradores da residência. 

Fonte: acervo pessoal do Espaço Ciência Viva 

SISTEMA ON-GRID 

Essa corrente elétrica passa pelo controlador de carga –  que tem a função de evitar que cargas muito altas passem adiante – e, em seguida, passa pelo inversor de carga – ele transforma a corrente elétrica contínua em corrente elétrica alternada. Após ser transformada, essa energia elétrica é levada até o quadro de luz da residência, onde é distribuída. Esse sistema possui também um medidor de energia – responsável por medir a quantidade de energia utilizada na residência. O medidor é conectado a uma torre de energia, assim, o sistema pode realizar a compensação de energia. 

Compensação de energia ocorre quando o sistema fotovoltaico produz uma quantidade de energia maior que a utilizada na residência. Essa energia em excesso é enviada para a torre de energia, que pertence a uma companhia de distribuição de energia, para ser utilizada posteriormente, ou seja, à noite ou nos dias nublados, a companhia “devolve” essa energia para a residência. O papel do medidor de energia é, nesse caso, computar a quantidade de energia em excesso e a quantidade de energia proveniente da companhia. 

Fonte: acervo pessoal do Espaço Ciência Viva 

Gostou de saber um pouco sobre como ocorre a transformação da energia solar em energia elétrica e como são os sistemas instalados nas residências? Deixe abaixo seu comentário, dúvidas e sugestões. Não esqueça de compartilhar essa matéria com amigos e familiares!!

Este assunto relaciona-se com o objetivo 7 – Energia Limpa e Acessível – dos Objetivos do Desenvolvimento Sustentável no Brasil (ODS) da ONU, e tem como premissa “assegurar o acesso confiável, sustentável, moderno e a preço acessível à energia para todas e todos”. Para mais informações, acesse o site das Nações Unidas do Brasil.

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