A energia fotovoltaica é a ciência por trás da forma mais popular de aproveitar a energia solar. É o processo de conversão da luz solar diretamente em eletricidade. O efeito fotovoltaico (PV) foi observado pela primeira vez em 1839. No entanto, não foi até 1954 que os cientistas foram capazes de descobrir exatamente como ele funciona.
Historicamente, os programas espaciais eram os maiores apoiadores da tecnologia fotovoltaica, uma vez que o sistema era a melhor fonte de energia para seus satélites. Desde então, o setor cresceu e você provavelmente já viu sistemas fotovoltaicos usados para alimentar eletrônicos, carros, casas, prédios comerciais e complementar redes elétricas. Devido ao aumento da eficiência, redução dos custos e aumento da preocupação ambiental, as instalações fotovoltaicas aumentaram dramaticamente nos últimos anos.
Fótons transportam energia solar
A luz solar é composta de fótons, ou partículas de energia solar. Esses fótons contêm quantidades variáveis de energia que correspondem aos diferentes comprimentos de onda do espectro solar. Em resumo, uma célula fotovoltaica é feita de material semicondutor.
Quando os fótons atingem uma célula fotovoltaica, eles podem refletir fora da célula, passar através da célula ou ser absorvidos pelo material semicondutor. Somente os fótons absorvidos fornecem energia para gerar eletricidade. Quando o material semicondutor absorve luz solar suficiente (energia solar), os elétrons são desalojados dos átomos do material. O tratamento especial da superfície do material durante a fabricação torna a superfície frontal da célula mais receptiva aos elétrons desalojados ou livres, para que os elétrons migrem naturalmente para a superfície da célula.
O fluxo de eletricidade
O movimento dos elétrons, cada um carregando uma carga negativa, em direção à superfície frontal da célula, cria um desequilíbrio de carga elétrica entre as superfícies frontal e traseira da célula. Esse desequilíbrio, por sua vez, cria um potencial de tensão como os terminais negativo e positivo de uma bateria. Os condutores elétricos na célula absorvem os elétrons. Quando os condutores são conectados em um circuito elétrico a uma carga externa, como uma bateria, a eletricidade flui no circuito.
Como funciona o processo fotovoltaico?
Um sistema fotovoltaico usa painéis solares para capturar os fótons da luz solar. Cada um desses painéis solares possui muitas células solares compostas por camadas de materiais diferentes. Um revestimento antirreflexo na parte superior ajuda a célula a capturar o máximo de luz possível.
Abaixo, há um semicondutor (geralmente de silicone) imprensado entre um condutor negativo na parte superior e um condutor positivo na parte inferior. Uma vez que os fótons são capturados pela célula solar, eles começam a liberar os elétrons externos dos átomos no interior do semicondutor. Os condutores negativo e positivo criam um caminho para os elétrons e uma corrente elétrica é criada. Essa corrente elétrica é enviada para os fios que capturam a eletricidade DC. Esses fios levam a um inversor solar, que o transforma na eletricidade CA usada nas residências. Quanto mais células solares você instalar, mais eletricidade será produzida.
Outros tipos de tecnologia fotovoltaica
Além do silício cristalino, ou mono-SI , existem outros dois tipos principais de tecnologia fotovoltaica:
- O PV de película fina é uma parte de crescimento rápido, mas pequena, do mercado solar comercial. Muitas empresas de filmes finos são startups que desenvolvem tecnologias experimentais. Eles geralmente são menos eficientes, entretanto, são geralmente mais baratos do que os módulos de mono-SI.
- Matrizes fotovoltaicas concentradas usam lentes e espelhos para refletir a energia solar concentrada em células de alta eficiência. Eles exigem que a luz solar direta e os sistemas de rastreamento sejam mais eficazes.
- A energia fotovoltaica integrada ao edifício serve como a camada externa de uma estrutura e gera eletricidade para uso no local ou para exportação para a rede. Os sistemas BIPV (do inglês Building Integrated Photovoltaics) podem proporcionar economia de materiais e custos de eletricidade, reduzir a poluição e aumentar o apelo arquitetônico de um edifício.
Aplicações de sistemas fotovoltaicos
Os menores sistemas fotovoltaicos alimentam calculadoras e relógios de pulso. Sistemas maiores podem fornecer eletricidade para bombear água, alimentar equipamentos de comunicação, fornecer eletricidade para uma única casa ou empresa, ou formar grandes matrizes que fornecem eletricidade a milhares de consumidores de eletricidade.
Algumas vantagens dos sistemas fotovoltaicos são:
- Os sistemas fotovoltaicos podem fornecer eletricidade em locais onde não existem sistemas de distribuição de eletricidade (linhas de energia) e também podem fornecer eletricidade a uma rede elétrica;
- As matrizes fotovoltaicas podem ser instaladas rapidamente e podem ter qualquer tamanho;
- Os efeitos ambientais dos sistemas fotovoltaicos localizados nos edifícios são mínimos.
Diferença entre sistemas térmicos fotovoltaicos e solares
Você pode perguntar se sistemas fotovoltaicos ou usinas térmicas solares são a melhor opção para aproveitar a energia solar, e esse debate já dura há muitos anos. As usinas térmicas solares usam a energia do sol para aquecer um líquido (geralmente água) ou gás a altas temperaturas.
A energia térmica resultante é então usada para alimentar um gerador e criar eletricidade. Os sistemas fotovoltaicos, por outro lado, convertem a luz solar diretamente em eletricidade. Os sistemas solares térmicos são mais utilizados em grandes usinas de energia, enquanto os sistemas fotovoltaicos geralmente são a melhor opção para residências e empresas. Aqui estão alguns prós e contras de cada método.
Prós do sistema térmico solar
As usinas térmicas solares são melhores na distribuição de energia fora do horário de pico ou nas estações por meio do armazenamento de eletricidade a longo prazo. Desse modo, a energia térmica solar é mais eficiente em aproveitar a energia da luz solar. Os sistemas solares térmicos usam menos espaço no telhado.
Contras do sistema térmico solar
As usinas térmicas solares são mais caras de operar e o calor excessivo pode causar preocupações de segurança. A energia térmica solar é usada com mais eficiência para aquecer coisas, como aquecedores de água, e é menos eficiente como uma forma de eletricidade. Assim como os sistemas solares térmicos requerem o uso de um gerador para produzir eletricidade.
Prós do sistema fotovoltaico
Os sistemas fotovoltaicos produzem mais energia durante o verão, quando é mais necessário para alimentar o ar-condicionado. Não há peças móveis e pouca ou nenhuma manutenção é necessária. A tecnologia fotovoltaica está em uso há muito tempo, comprovando sua utilidade. A energia fotovoltaica é muito mais versátil, pois converte a luz do sol diretamente em eletricidade sem geradores.
Contras do sistema fotovoltaico
A economia de energia leva mais tempo para pagar o custo da instalação. De Maneira idêntica, os sistemas fotovoltaicos têm menor capacidade de aproveitar a luz solar. Os sistemas fotovoltaicos coletam energia somente durante o horário de luz solar.
