ENERGIA SOLAR - CONCEITOS, DEFINIÇÕES, TECNOLOGIAS E NORMAS

A energia solar pode ser utilizada em qualquer lugar na superfície do planeta e no espaço, e não envolve nenhum custo de combustível, além de ser limpa e sustentável, pois sua geração não envolve emissões de gases de efeito estufa e sua fonte é renovável.  A energia solar pode ser dividida em três principais grupos: energia solar química, solar térmica e solar fotovoltaica.

I. Energia Solar Química 

A energia solar química pode ser gerada por meio de diversos processos que geram energia pela absorção da luz do sol em uma reação química similar à fotossíntese nas plantas, sem a utilização de organismos vivos. Nenhuma tecnologia solar química é ainda comercialmente viável, e os processos solares químicos são relativamente desconhecidos na indústria de energia renovável hoje.

II. Energia Solar Térmica 

A energia solar térmica é uma tecnologia conhecida, de baixo custo, amplamente utilizada e altamente eficiente. Ela utiliza a energia do sol para geração de energia térmica (calor). Sistemas de aquecimento solar utilizam módulos solares, os chamados coletores, que utilizam o calor do sol para aquecimento de água, que é armazenada em cilindros de água quente (boilers). Sistemas de aquecimento solar podem ser utilizados para aquecimento de água, aquecimento de residências, e processos industriais de aquecimento e resfriamento. 

A energia solar térmica também pode ser utilizada para produção de eletricidade: o sol aquece um fluído (normalmente óleo sintético) que move um sistema que produz eletricidade. Dependendo do processo, o fluído é aquecido a 400-600º C e a eletricidade é produzida em uma turbina a vapor. Outra tecnologia que utiliza energia solar térmica para produção de eletricidade é a utilização de refletores parabólicos (espelhos curvados ou torres que concentram a luz do sol), que fervem a água e produzem vapor, como a tecnologia Concentrated Solar Power (CSP), entre outras. São tecnologias mais caras e economicamente viáveis em regiões, como o deserto do Atacama, do Saara, entre outras, nas quais é possível produção em larga escala.

III. Energia Solar Fotovoltaica 

A energia solar fotovoltaica é a mais utilizada no mundo para a produção de eletricidade. Células fotovoltaicas convertem energia solar diretamente em eletricidade pelo processo de conversão da luz (fótons) em eletricidade (elétrons), o chamado efeito fotovoltaico, descoberto em 1839. Uma célula solar ou célula fotovoltaica é um dispositivo elétrico de estado sólido capaz de converter a luz proveniente do sol (energia solar) diretamente em energia elétrica, por intermédio do efeito fotovoltaico. As células fotovoltaicas são utilizadas em conjunto (36, 60 ou 72 células ligadas em série) para formar os módulos fotovoltaicos. A energia gerada pelos módulos fotovoltaicos é chamada energia solar fotovoltaica.

Origem: 

O efeito fotovoltaico foi primeiro demonstrado experimentalmente pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel. Em 1839, aos 19 anos, experimentando no laboratório de seu pai, ele construiu a primeira célula fotovoltaica do mundo. Willoughby Smith descreveu pela primeira vez o "Efeito da Luz em selênio durante a passagem de uma corrente elétrica", em um artigo científico que foi publicado no dia 20 de fevereiro de 1873 da revista Nature. Contudo, só em 1883 foram construídas as primeiras células fotovoltaicas, por Charles Fritts, que cobriu o selênio semicondutor com uma camada extremamente fina de ouro de modo a formar junções. O dispositivo teve apenas cerca de 1% de eficiência.

Sobre os módulos de energia fotovoltaicas

Os módulos fotovoltaicos utilizados hoje em casas e usinas fotovoltaicas são feitos de células solares laminadas em módulos ou filmes, que podem ser conectados ou não à rede de distribuição de energia elétrica. Como exemplo prático, uma residência típica familiar utiliza entre 5 e 10 módulos fotovoltaicos para gerar eletricidade para toda a casa. Os módulos podem ser montados em um ângulo fixo ou sobre estruturas de apoio que seguem o sol (seguidores solares ou trackers), que possibilitam a captura de mais irradiação e, consequentemente, gerando mais eletricidade. Observação: módulos fotovoltaicos também são chamados de placas fotovoltaicas ou painéis fotovoltaicos. 

As células fotovoltaicas são constituidas de no mínimo 2 camadas de semicondutores (uma camada de carga positiva e outra camada de carga negativa). Quando uma quantidade suficiente de fótons são absorvidos pela camada negativa do semicondutor da célula fotovoltaica, os elétrons são liberados nesta camada dos módulos (fotovoltaicos). Posteriormente, estes elétrons migram naturalmente para a outra camada, a positiva do semicondutor, criando um diferencial de tensão (similar uma bateria). Quando as duas camadas dos semicondutores são conectadas, estes elétrons fluem através do circuito da placa, gerando uma carga externa e criando-se assim a "eletricidade". Para a transformação da energia elétrica para seu uso, é necessário a instalação de um outro equipamento: um inversor solar. 

As células de silício puro chamadas Wafers, são em seguida dopadas, ou seja, contaminadas de forma controlada com Boro para formar lado tipo P, ou seja, com portadores de carga positiva e o outro lado da célula é dopada com fosforo para formar o lado tipo N, ou portador de carga negativa.

IV. Principais tecnologias fotovoltaicas

Células fotovoltaicas de sílicio cristalino (c-Si) ou tecnologias de células discretas

Célula fotovoltaica moderna de silício cristalino. O design PERC (emissor passivo e célula traseira) tem contatos em forma de dedos, visíveis como linhas (imagem à direita). A eficiência da célula excede atualmente os 20%. Exemplo fabricado pelo Institute for Solar Energy Research Hamelin (ISFH), Germany.

As células fotovoltaicas tradicionais são feitas de silício, normalmente chatas, e geralmente as mais eficientes para o uso comercial em massa. Os módulos de silício na forma Cristalina (Mono e Poli) são tipicamente qualificados e certificados de acordo com a norma IEC 61215 for Crystalline Silicon Modules. Esta é a tecnologia mais utilizada hoje no mundo, sendo dividida em dois grupos principais: células fotovoltaicas de silício monocristalinas e policristalinas (ou multicristalinas).

• Células monocristalinas: têm uma estrutura de cristal homogênea e seu processo produtivo é mais caro do que o processo produtivo das células multicristalinas, porém têm maior eficiência de conversão de energia.fatias de blocos monocristais de silício crescente. Atualmente as células chegam a ter uma espessura de 2.000 microns. As células de pesquisa chegam a 24% de eficiência, as comerciais aproximadamente 16%.
• Células policristalinas (ou multicristalinas): com estruturas de cristal não homogêneas, utilizam menos energia em seu processo produtivo e consequentemente são mais baratas. Estas células são menos caras para fabricar, porém menos eficientes. As células de pesquisa têm cerca de 18% de eficiência e as comerciais por volta de 14%.

É a tecnologia mais empregada no mercado atualmente, com uma participação de aproximadamente 95% do mercado de células fotoelétricas. Atualmente apresenta um rendimento de 15 a 21% em suas células; painéis solares feitos de células de silício cristalino tem rendimento de 13 a 17%.

Células de películas finas integradas (ou células de filmes finos) 

As células fotovoltaicas de filme fino utilizam camadas de materiais semicondutores extremamente finas. Uma vantagem desta tecnologia é que ela pode ser utilizada em substratos rígidos ou flexíveis, o que possibilita que seja utilizada também em superfícies e aplicações diversas. Tipicamente, as eficiências das células solares de filme fino são baixas quando comparadas com as células tradicionais de silício cristalino, mas os custos de fabricação também são mais baixos, pelo que se pode atingir um preço de instalação mais reduzido por watt. Outra vantagem é o menor suporte necessário, quando instalados, pois permitem fácil ajuste e disposição pois são fabricados em materiais flexíveis, como: têxteis, plásticos ou integração direta nos edifícios.

As células fotovoltaicas de filme fino são geralmente divididas nestes grupos principais:

• a-Si e µ-Si: amorfas. a-Si é usado também em produtos de consumo, como relógios e calculadoras; e em sistemas de edificações integradas, trocando seus vidros (de janelas e fachadas) por módulos coloridos semitransparentes.
  Tem participação de cerca de 3,7% do mercado de células fotoelétricas, tem rendimento de cerca de 7%.
• CdTe: telureto de cádmio; 
  Tem participação de 1,1% do mercado de células fotoelétricas, é uma tecnologia que emprega filmes finos de telureto de cádmio. Apresenta pouco apelo comercial devida à alta toxicidade do cádmio.
• CIGS/CIS (Cobre-Índio-Gálio-Selênio): é o nome para um novo semicondutor usado em células fotoelétricas, cuja fórmula química é Cu(In,Ga)Se2. Ao contrário das células feitas com silício que são baseadas numa junçãp p-n de um mesmo material, células CIGS são feitas com várias camadas ultra finas de diferentes semicondutores, cada qual com diferentes gaps de energia.
  Tem participação de 0,2% do mercado de células fotoelétricas e rendimento de 13%. Atualmente sofre problemas com o abastecimento de índio para sua produção, visto que 75% de todo o consumo do material no mundo se dá na fabricação de monitores de tela plana, como LCDs e monitores de plasma.

O filme fino é geralmente menos eficiente na conversão de luz do sol para eletricidade hoje, logo, módulos fotovoltaicos cristalinos utilizam menos espaço do que módulos de filme fino para produzir a mesma quantidade de eletricidade. Células mono-e-policristalinas no mercado hoje têm uma eficiência de conversão média global entre 12,0% e 25,6%. Algumas tecnologias de filme fino podem ter a metade dessa eficiência. No entanto, a tecnologia de filme fino tem avançado rapidamente, atingindo eficiência máxima de 21,0%.

Células de Arsenieto de gálio (GaAs)

Arsenieto de gálio (GaAs) é um material semicondutor de que são feitas as células de alta eficiência, usado especialmente na tecnologia espacial. Atualmente é a tecnologia mais eficiente empregada em células solares, com rendimento entre 25%-28%. Multiconjunções de células de GaAs podem chegar aos 30% de eficiência. Devido ao seu custo de fabricação ser extremamente alto, torna-se inviável para produção comercial, sendo usado apenas em painéis solares de satélites artificiais (satélites de energia solar). 

Fonte: Sebrae 2015

V. Sobre o Silício

O que é o silício? Quais são os processo que o silício passa para se transformar em células fotovoltaicas?

Como já foi dito, os módulos de energia solar de silício (monocristalinos e policristalinos) são os mais comercializadas do mercado. 

Silício é o oitavo elemento mais comum no universo em termos de massa, mas muito raramente ocorre como elemento puro na natureza. Está presente em poeiras, areias e em planetas (no universo), em várias formas de “silicatos”. Mais de 90% da crosta terrestre  é composta por minerais silicatos, fazendo do silício o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (28% da massa da Terra), somente atrás do oxigênio. Para a produção do silício metalúrgico (Silício GM ou Si-GM), também denominado silício metálico, é realizada a redução do dióxido de silício (SiO2), presente nos silicatos, a altas temperaturas, que podem ser superiores a 1.900°C.

A redução química pode ser definida como a diminuição da carga formal de uma determinada espécie química por consequência da transferência de elétrons oriundos de outra espécie química, conhecida como agente redutor. No caso da obtenção do silício metalúrgico, os agentes redutores são substâncias formadas por moléculas de carbono, como co-que, semicoque ou coque de petróleo (Serodio, 2009). Alguns dos principais produtores de silício grau metalúrgico no mundo são: Elkem (Noruega), JFE Steel (Japão), Mississippi Silicon (Estados Unidos), Renewable Energy Corporation REC (Singapura, Estados Unidos, Suíça e Noruega) e SunEdison (Estados Unidos).

Após o processo de redução, o silício metalúrgico em estado líquido se acumula no fundo do forno, podendo assim ser extraído, resfriado e refinado. Com um grau de pureza de até 99,5%, ele é utilizado como elemento de liga para outros metais, matéria-prima para a indústria química em geral e também para indústria de semicondutores e células fotovoltaicas. Alguns dos principais produtores de silício grau solar do mundo incluem: Elkem (Noruega), GCLSI (China), Hemlock (Estados Unidos), LDK (China), REC (Singapura, Estados Unidos, Suíça e Noruega) e Wacker Chemie (Alemanha).

Crédito: Imagens Google

Lingote e lâmina de silício

Um lingote é o material que é puxado (mono-cristalino) ou fundido (multi-cristalino) no formato propício para processamento. O silício líquido de grau solar é aquecido após seu ponto de fusão de 1.401ºC e puxado em uma barra ou fundido em um bloco utilizando um método de resfriamento. O objetivo é obter uma estrutura mais coerente e homogênea, livre de certos elementos e impurezas que reduzem o efeito fotovoltaico da célula.

Os lingotes podem então ser processados novamente em blocos e cortados em lâminas de silício bem finos. Alguns dos maiores produtores de lingotes e lâminas de silício no mundo são: Elkem (Noruega), GCL (China), Hemlock (Estados Unidos), Jinglong (China), LDK Solar (China), ReneSola (China) e Yingli (China).

Gases de processamento de células 

Os gases de processamento de células são aqueles utilizados para produção de silano e destilação do mesmo, e também para a transformação da lâmina de silício em célula fotovoltaica.

Até chegar a fabricação de células fotovoltaicas

Uma célula solar fotovoltaica é um dispositivo semicondutor que converte a energia do sol diretamente em eletricidade, pelo efeito fotovoltaico. Dependendo da tecnologia utilizada, lâminas de silício são processadas em 15 a 20 passos de tratamentos químicos até chegar a uma célula fotovoltaica. Alguns dos maiores produtores de células fotovoltaicas no mundo são: Canadian Solar (Canadá/China), REC (Singapura, Estados Unidos, Suíça e Noruega), Suntech Solar (China, África do Sul, Alema-nha, Austrália, Inglaterra e Japão), Trina Solar (China, Estados Unidos, Itália e Singapura) e Yingli (China). 

VI. Quais os materiais e estruturas que compõe um módulo fotovoltaico e sua instalação 

Fonte: Módulo Solar de 72 células - Imagens Google 

Moldura

Filme encapsulante

Backsheet 

Vidro especial

Peças de estruturas de instalação

Silicone de Vedação

Caixa de Junção

Tabwires e Busbar

VII. Módulos fotovoltaicos - modelos atuais disponíveis no mercado 

VIII. Normas regulatórias sobre módulos fotovoltaicos 

Os módulos de Silício na forma Cristalina (Mono e Poli) são tipicamente qualificados e certificados de acordo com a norma IEC 61215 for Crystalline Silicon Modules.  A IEC 61215 elenca 18 importantes ensaios que garantem a qualidade de um módulo fotovoltaico, sendo estes: 

1. Inspeção visual - O objetivo é detectar qualquer um dos "defeitos visuais", analisando o módulo em uma área de forte iluminação (1000 lux).
2. Determinação da potência máxima (Pmax) - Este é o único ensaio exigido pelo Inmetro dentre os 18 obrigatórios em outros países pela IEC. É tipicamente um parâmetro de desempenho. Deve ser realizado várias vezes, antes e depois dos outros vários testes solicitados pela IEC 61215. 
3. Resistência de isolamento - É um teste de segurança elétrica. O objetivo é determinar se o módulo fotovoltaico tem um isolamento elétrico suficiente entre a sua parte interna e o quadro de alumínio.
4. Teste molhado de fuga de corrente - O objetivo é avaliar o isolamento da placa fotovoltaica numa condição de alta umidade e a possibilidade de choque elétrico derivado (chuva, neblina, orvalho, neve derretida, etc).
5. Medição dos coeficientes de temperatura - Coeficientes de temperatura são parâmetros de desempenho frequentemente utilizados para simular os rendimentos de energia dos módulos fotovoltaicos em climas quentes.
6. Medição da Temperatura Nominal de Funcionamento da Célula (NOCT) - Esse parâmetro deve ser utilizado pelo projetista do sistema fotovoltaico, para comparar o desempenho de diferentes modelos de módulos fotovoltaicos.
7. Desempenho do painel solar na STC e NOCT - Determina como o painel solar se comporta nas STC (Condições padrões de teste) e NOCT (Temperatura nominal de operação da célula fotovoltaica), quando conectado a uma carga.
8. Desempenho do painel solar em baixa irradiância - Testa o comportamento do módulo fotovoltaico em condições de escassez de luz.
9. Teste de exposição ao ar livre - O objetivo é uma avaliação preliminar da capacidade do módulo para suportar a exposição ao ar livre. 
10. Teste de resistência de Hot-Spot - O objetivo é determinar a capacidade do módulo fotovoltaico para suportar o aquecimento localizado causado por rachaduras nas células, falhas de interconexão, sombreamento parcial ou sujeira.
11. Teste de resistência UV (Ultra Violeta) - O objetivo é identificar materiais que sejam susceptíveis a degradação por raios ultra-violeta (UV).
12. Ensaio de ciclagem térmica (200 ciclos) - O teste tem a finalidade de simular as tensões térmicas no interior dos materiais como resultado de mudanças abruptas de temperaturas extremas. Na maioria das vezes, as ligações entre as células que são soldadas são as que mais “sofrem” com este teste.
13. Teste de Umidade & Congelamento - Testa o módulo em um ciclo de aquecimento e congelamento de 85°C a -40°C com 85% de umidade relativa.
14. Teste Damp-heat (1000 horas) - A finalidade é determinar a vida útil do módulo fotovoltaico. No Damp-heat test, o módulo deve suportar a exposição a longo prazo a uma umidade de 85%, numa temperatura de 85°C, durante 1000 horas. O DH1000 é o mais criterioso dos testes pois ele reprova de 40 a 50% dos módulos submetidos a este teste. É uma das principais formas de validar a garantia de 25 anos dos fabricantes.
15. Robustez de teste terminações - O módulo passa por um teste de stress mecânico que simula a montagem normal e a manipulação do mesmo através de vários ciclos e níveis de resistência, flexão e torque.
16. Teste de carga mecânica - Tal teste de carga consiste na determinação da capacidade do módulo fotovoltaico em suportar o vento, a neve, as cargas estáticas e o gelo.
17. Teste de resistência contra granizo - É realizado para verificar a resistência do módulo ao granizo. O equipamento de teste é um lançador capaz de impulsionar várias bolas de gelo de diferentes pesos e velocidades de modo a atingir o mesmo em 11 locais específicos de impacto. O maior granizo lançado no teste é de 75mm de diâmetro, com um peso de apx. 200g, que é atirado a uma velocidade apx. 145km/h no vidro do painel solar, que deve resistir ao impacto. 
18. Ensaio térmico diodo bypass - O teste do diodo bypass é um aspecto muito importante do projeto do módulo fotovoltaico. É crítico determinar o comportamento térmico do equipamento sob condições de Hot-Spot, pois isso impacta diretamente no desempenho do mesmo quando instalado em uma casa ou empresa. 

Além dessa norma internacional IEC 61215, existem outras normas especificas para determinadas falhas, afim de comprovar a durabilidade de um módulos fotovoltaico:

• IEC 61730 - Photovoltaic (PV) module safety qualification - Avaliação de segurança dos módulos fotovoltaicos para o risco de choque elétrico, perigo de incêndio, mecânica e segurança estrutural.
• IEC 61701 - Salt mist corrosion testing of photovoltaic (PV) modules - Exposição a neblina salina. É um método de ensaio normalizado utilizado para verificar a resistência à corrosão.
• IEC 61345 - UV test for photovoltaic (PV) modules - Teste com radiação UV, utilizado para testar a resistência do revestimento. Determina a capacidade que um módulo fotovoltaico tem de suportar exposição a ultra- violeta (UV) de 280 nm a 400 nm.
  

NR10 é uma norma que regulamenta e estabelece os requisitos e condições mínimas da implementação e medidas de controle para garantir a segurança e a saúde dos profissionais que trabalham com instalações elétricas e serviços que envolvam eletricidade.

NR35 estabelece os requisitos mínimos de proteção para o trabalho em altura, de forma a garantir maior segurança e saúde de profissionais envolvidos nesta atividade.