quinta-feira, 22 de dezembro de 2016

PLACA SOLAR DE LED’S - PROJETO


PLACA SOLAR DE LED’S - PROJETO



DESCRIÇÃO DA IDEIA
Este projeto tem como objetivo diminuir os gastos com a obtenção de placas fotovoltaicas, que por terem seu modo de manufatura muito complexo impossibilita uma produção caseira. Vamos utilizar um grupo de LED’s, estes vão ser ligados em associação mista (serie/paralelo) utilizando a luminosidade solar para gerar energia elétrica. Será um produto com um baixo custo de instalação e manutenção.

  
Responsáveis pelo projeto:
(RB) / LM / AL / LP / EA

  
JUSTIFICATIVA
Existem várias formas de utilizar a energia solar, porém a maioria dos dispositivos ofertados no comércio especializado tem um desempenho muito fraco, os painéis são mal dimensionados, então baseado nessas informações e problemas, surgiu a idéia de fazer um painel solar com LED’s, que é uma energia limpa renovável que não agride o meio ambiente e com componentes que podem ser adquiridos em qualquer fornecedor de materiais eletrônicos. Afinal a energia solar existe, e pode ser aproveitadas captando uma maior parte da luminosidade, diferentes de outras placas.

Nesse painel solar de LED’s vamos mostrar que isso é possível, nesse caso a produção de energia pode ser melhor, e essa placa será produzida de acordo com à necessidade de cada consumidor.
  
PROBLEMA
Sempre estamos dependentes das infra-estruturas que fornecem energia ao consumidor final, em caso de interrupção dos serviços não temos alternativa em obter energia limpa e barata, e foi pensando em resolver esse problema que surgiu a idéia de produzir energia através de LED’s que podem durar de 5 mil a 35 mil horas ou oito a dez anos, e como o sol nasce todo dia para todos a idéia viabiliza um sistema modular capaz de atender as necessidades de baixa potência.
  

OBJETIVOS

Objetivo Geral:
• Mostrar uma forma de gerar energia elétrica através de uma placa composta por LED’s.

Objetivo Específico:
• Baixar custos de energia utilizando LED´s;
• Facilitar instalações com o uso da placa;
• Promover fonte de energia limpa e renovável.
  

REFERENCIAL TEÓRICO
A energia solar é uma ótima opção para muitas pessoas, não só para reduzir a conta de luz, mais também para agregar valores sustentáveis a sua casa ou empresa.

Em alguns casos uma placa solar convencional com 36 células solares é capaz de produzir 17 volts em corrente contínua e uma potência de 140 Watts, isso sem contar outros equipamentos que são indispensáveis para o bom funcionamento de uma placa solar, podendo chegar seu custo total a 15.099 reais.

Por isso, demos início as nossas pesquisas que foram voltadas para a área da eletricidade que ultimamente teve um aumento absurdo, diante disso, foi desenvolvido um projeto que visa diminuir os custos. Tal equipamento é uma ótima opção para geração de energia nas residências, apesar de parecer um projeto com alto custo ele é um produto barato e de fácil instalação, ao contrário de outros modelos de placas solares já existentes.

Pensando nesses questionamentos, o grupo idealizou a placa solar com materiais diferentes, pois será utilizado LED’s que são componentes eletrônicos semicondutores.

Nesse caso vamos usar o LED com a única finalidade de gerar energia
quando exposto ao sol. Para fazê-lo gerar energia vamos usar uma ligação série/ paralela, que serão associadas a dois condutores que vão transportar essa corrente elétrica para um aparelho que irá estabilizar essa energia gerada e assim distribuí-la ao restante da casa.

O limite de produção da placa vai depender muito da quantidade que o consumidor irá precisar, ou seja, ele pode ser adaptado às necessidades de cada um, quanto maior o número de LED’s, maior será a produção de energia, claro que essa produção pode variar de uma região para a outra do país, por conseqüência da variação climática, em algumas regiões e épocas do ano.

Para a montagem de um protótipo foram usados 10 LED’s de 5 mm de alto brilho, fixados em uma placa Fenolite e ligados em serie e paralelo. Os resultados foram positivos já que com um pequeno protótipo foi gerado um valor de 4 a 4.5 Volts, foi verificado também que quanto mais alto era colocado o protótipo maior era a geração e menor a oscilação de corrente elétrica, para fazer essa medição usamos um multímetro para acompanhamento de geração e oscilação.

A energia gerada pode ser armazenada em baterias mais, para isso deve ser colocado um diodo que vai atuar com a função retificadora para que a energia dos LED’s possa ir direto para as bateria e não ocorra o oposto (não permitindo que a energia da bateria vá para os LED’s).


METODOLOGIA
Nosso projeto é em cima do tema Utilização Renovável, “Como ampliar e facilitar a utilização da energia renovável em residência e/ou empresas.” Onde vamos desenvolver algo que pese menos bolso dos consumidores, adicionar algo simples de fácil uso e fabricação.
Nosso projeto tem como objetivo minimizar gastos da conta de energia elétrica, utilizando a placa de LED’s, que vão usar a energia solar para obter corrente elétrica e vamos ter uma energia limpa sem agredir o meio ambiente.

Materiais que Serão Utilizados no Protótipo

• Kit 100 peças Super Led Alto Brilho 5mm R$38.00
• Fio para bateria R$12.00
• Bateria R$120.00
• Placa de fenolite face simples 40x40 cm R$ 46.00
• Fio cabo flexível 1 mm azul (rolo) 10 metros cobre pvc R$ 58.00
• Solda fio (rolo) 1 mm “estanho” 60/40 500 gramas R$ 49.00
• Terminal turbo lar ilhós simples vermelho 1 mm 150 peças R$7.00
• Broca 0,6 mm, 0,8 mm e 1 mm mini furadeira placa fenolite fibra Pc
R$ 15.00


Montagem da Placa Solar
Primeiramente iremos cortar a placa e deixar no tamanho ideal, em seguida será fazer os furos utilizando a broca de 1 mm, e a distância de um LED para o outro será de 30mm, as margens são estabelecidas em 25 mm. Vamos utilizar ao total 90 LED’s, que serão interligados em uma ligação mista.
Usaremos a máquina de solda para fazer a junção dos LED’s na placa. Serão ligados positivos com positivos e negativos com negativos. E esses polos serão ligados na bateria, que será carregada através da energia gerada pela placa.

Teste Protótipo
Antes do tamanho real, produzimos uma miniatura com a intenção de economizar em testes que poderiam ter resultados negativos. Onde foram utilizados 10 LED’s e uma placa de 100mmx100mm com espaçamentos de 30 mm entre cada LED que foram interligados em uma ligação mista.
Podemos comprovar que a partir do protótipo o tamanho original terá resultados positivos, uma vez que, obtivemos com teste inicial da miniatura 4,87 Volts ao expor a placa de LED’s ao sol por 2 minutos e medindo a energia com um multímetro.


CRONOGRAMA

DATA CRONOGRAMA DE ATIVIDADE DO PROJETO

02/04  PESQUISA INFORMACIONAL

05/04  PESQUISA COM CLIENTES

07/05  PESQUISA TÉCNICA

10 à 13/05     MORFOLOGIA DOS COMPONENTES E CÁLCULOS;
CONCEPÇÃO DO PRÉ-PROJETO CONCEITUAL E LISTA DE MATERIAIS.

14 e 16/05     PLANEJAMENTO DAS SEQUÊNCIAS DE OPERAÇÒES PARA A
CONSTRUÇÃO DOS PROTÓTIPOS E OS EQUIPAMENTOS/MÁQUINAS NECESSÁRIOS.

18/05  REVISÃO DA IDEIA PARA SEGUNDA AVALIAÇÃO DA APLICABILIDADE.



Circuito Elétrico simplificado:



10 LED’s de alto brilho vermelhos.
01 Capacitor de 1000 microfaraday por 10V.




ESQUEMA DE LIGAÇÕES COM DETALHES TÉCNICOS:




  




Utilizando um LED como fonte de energia

O Sol é fonte de energia fundamental para o nosso planeta. A cada segundo, trilhões e trilhões de átomos de hidrogênio (H) se fundem formando átomos de hélio (He). Nestas reações há uma diminuição da massa dos reagentes e uma grande liberação de energia, que é irradiada na forma de luz e calor para todo o espaço em seu entorno. Parte desta energia chega ao nosso planeta, contribuindo de forma vital para a manutenção da vida.

Com a crescente preocupação em frear a degradação do planeta e o constante aumento pela demanda de energia, o Sol vem ocupando lugar de destaque como uma grande e importante fonte de energia alternativa.

Há alguns anos os arquitetos passaram a se preocupar com construções que privilegiam a iluminação natural; algumas residências utilizam a energia solar para o aquecimento da água, por meio de coletores solares; em uma escala ainda muito pequena a energia solar também é transformada em energia elétrica - as células fotovoltaicas são os dispositivos responsáveis por esta transformação direta da energia solar em elétrica.

Estas células são feitas com materiais semicondutores e seu alto custo é um fator limitante para uso em larga escala.

Muitas pesquisas têm sido feitas no sentido de tornar estas células mais eficientes, de modo a reduzir o custo da energia convertida por célula.


“Com a crescente demanda de energia elétrica ea atual preocupação com a preservação ambiental, as energias limpas se transformaram em necessidades urgentes. A energia solar é uma excelente alternativa. As células fotovoltaicas:
- dispositivos construídos com materiais semicondutores
- podem transformar a energia solar diretamente em energia elétrica.”


Então vamos enfocar o funcionamento de uma célula fotovoltaica. Para
que tenhamos condições de mostrar, na prática, a transformação da
energia solar em elétrica, sugerimos uma maneira de ligar um relógio digital por
meio de uma “célula fotovoltaica de baixo custo”: um LED.


Materiais semicondutores
Os materiais semicondutores são a base da indústria eletrônica. Sua importânciaestá na possibilidade de alteração de suas características elétricas de forma “simples”. Estes materiais recebem o nome de semicondutores por não serem totalmente isolantes - como a borracha, ou o vidro - mas também não serem bons condutores como o cobre, ou o ferro. No entanto, se forem adicionados átomos diferentes a estes materiais, eles podem ter suas características elétricas alteradas. O silício (Si) é um exemplo de semicondutor
muito utilizado na indústria. Se um átomo de fósforo (P) for inserido em um cristal de silício, haverá um elétron a mais na rede cristalina. Este elétron poderá se mover pelo material, pois não está fortemente ligado ao átomo. O novo material possui elétrons em excesso e é por isso chamado semicondutor
tipo n. O oposto ocorrerá se um átomo de gálio (Ga) for inserido na rede cristalina de silício. Um elétron estará faltando, e este “buraco” se comportarácomo uma carga positiva,2 que também pode mover-se pelo material, pois um elétron de um átomo vizinho pode ocupar este espaço.

O semicondutor com falta de elétrons é chamado de semicondutor tipop. A Fig.1 ilustra este processo de inserção de átomos estranhos em uma rede cristalina, denominado “dopagem”. Uma célula fotovoltaica é uma junção dos dois tipos de materiais semicondutores descritos acima. Uma junção pn, como a denominamos, possui propriedades muito peculiares e é de grande interesse na indústria eletrônica, tendo várias aplicações.

  




Nas Figs. 2 e 3 há um esquema do que ocorre em uma junção pn quando ela é
iluminada.


A luz é constituída por fótons com energia E = hν, onde h é a constante de Planck e ν é a freqüência da luz. Quando estes fótons incidem sobre a junção, eles penetram no material e podem ser absorvidos por elétrons na banda de valência.

Se a energia do fóton for da mesma ordem de grandeza que a diferença de energia das bandas, Eg na Fig. 3, o elétron poderá alcançar a banda de condução, onde estará livre para se mover. A saída de um elétron da banda de valência deixa um buraco na mesma. Com a iluminação constante, haverá um grande número de pares elétron buraco gerados pela absorção de fótons.





Devido à presença dos átomos dopantes, os elétrons da banda de condução se deslocarão para a região n e os buracos da banda de valência se deslocarão para a região p. Se um fio condutor conectar o lado p ao lado n, teremos uma corrente de elétrons se movendo da região de maior concentração de elétrons para a região com escassez de elétrons, como em uma pilha.



O LED como célula solar
As células fotovoltaicas convencionais ainda são muito caras e raras no mercado comum. Como modelo de célula fotovoltaica propomos o uso de um LED, muito mais acessível em termos de custo e mercado. Testamos vários tipos de LEDs, e os melhores resultados foram encontrados com LEDs vermelhos de 10 mm com encapsulamento transparente. Os LEDs vermelhos de 5mm com encapsulamento transparente também apresentaram bons resultados.

O LED também é constituído por uma junção pn. Na Fig. 4 há um diagrama ilustrando o dispositivo. O lado n da junção está preso a um contato metálico, que serve também como um espelho refletor para direcionar a luz. No lado p há apenas um fio estabelecendo o contato elétrico entre o semicondutor e o outro terminal do LED, de modo que a maior parte do semicondutor fica exposta.




Esta construção é necessária porque a luz sai diretamente de onde houve uma combinação entre um elétron e um buraco. Um elétron que venha da banda de condução para ocupar um buraco na banda de valência deve perder energia. Esta energia é liberada na forma de fótons, cuja energia corresponde ao valor de Eg. Portanto, se forem construídos LEDs com diferentes valores para Eg - e isto é conseguido utilizando diferentes dopantes - pode-se produzir diversas cores para a luz dos LEDs. Como o valor de Eg define a energia dos fótons emitidos, o espectro de emissão de um LED possui um pico bastante pronunciado em torno de um comprimento de onda característico, como mostra a Fig. 5.




Embora os LEDs sejam projetados para emitir fótons, eles também podem funcionar como receptores de luz. Em diversos artigos na literatura encontramos o uso de LEDs como foto sensores. Porém, assim como a emissão é bastante pronunciada em torno de uma freqüência característica, a recepção se dá para uma faixa de freqüências cuja energia esteja em torno de Eg. Este comportamento ressonante dos LEDs permite que eles sejam utilizados como sensores para faixas restritas do espectro. Fótons com energias muito diferentes de Eg não são efetivamente absorvidos pelos elétrons e não haverá a geração de pares elétron-buraco nestas situações. Um LED que emita luz verde, por exemplo, será um bom receptor para luz verde, mas não para outras cores do espectro. É por este motivo que sUgerimos utilizar como fontes de luz, nos experimentos a seguir, o Sol ou uma lâmpada incandescente, pois estas fontes possuem um espectro contínuo de radiação, possuindo todas as freqüências da luz.

Para verificar a produção de tensão elétrica em um LED iluminado, basta ligar os seus terminais a um voltímetro para medir tensões contínuas na escala de 2 V e iluminar o LED com uma fonte de luz intensa.
A tensão pode chegar a 1,5 V se o LED for exposto ao Sol. Embora a tensão seja relativamente alta, a corrente alcançada não passa de poucos  microamperes, mesmo sob iluminação intensa. Tal fato pode ser compreendido observando o tamanho do semicondutor do LED, que não passa de 1mm2. Uma célula fotovoltaica convencional possui uma grande área de material semicondutor exposta à luz, de forma a poder absorver uma grande quantidade de fótons, ou seja, muita energia. Portanto é necessária uma carga compatível para funcionar com uma corrente tão baixa; um relógio digital é ideal para esta aplicação.

O relógio digital usado por nós é do tipo encontrado em lojas de produtos populares.

É necessário retirar a bateria e sol-dar dois fios nos terminais da mesma (sugerimos desmontar o relógio e soldar os fios diretamente na placa). Ligue os terminais do LED aos fios do relógio e ilumine o LED com uma luz bastante intensa, de preferência o Sol, e veja se o relógio funciona.

Se não funcionar, inverta os fios, pois tanto o LED quanto o relógio possuem polaridade. É possível fazer o relógio funcionar com uma lâmpada incandescente - indicada para as demonstrações em dias nublados - mas neste caso devem ser usados no mínimo três LEDs ligados em série. Esta é uma estratégia para alcançar maior tensão, se o professor desejar aplicá-lo em outras situações. Em nossa versão, mostrada na Fig. 6, colocamos os LEDs em um disco de madeira e o fixamos em uma bola de desodorante roll-on. Utilizando este artifício é possível orientar os LEDs para a posição de máxima incidência de luz.




Conclusão
Muitos livros falam sobre o uso das células fotovoltaicas, mas não fornecem detalhes sobre seu funcionamento e nem sugestões alternativas que possamos utilizar para ilustrá-la na prática.

Tendo estes aspectos em vista, procuramos abordar de forma sucinta o funcionamento das células fotovoltaicas a fim de fornecer uma base teórica para a compreensão da transformação direta da energia solar em elétrica.

Promover o contato de pessoas com tecnologias potencialmente transformadoras é uma forma de sensibilizá-los quanto à necessidade de uma busca de soluções conscientes para a sociedade.

Há sempre um grande espanto quando vêem um relógio funcionando com a energia “gerada” por um LED. A física de semicondutores pode ficar mais atrativa com estes experimentos que surpreendem nosso senso comum.



Notas
Diodo emissor de luz, em inglês. Os LEDs são aquelas lampadazinhas facilmente encontradas nos painéis de equipamentos eletroeletrônicos.

O buraco (lacunas) não é fundamentalmente uma carga positiva, mas sim, como o próprio nome sugere a ausência de um elétron.

A banda de valência é a última banda de energia com elétrons ligados aos átomos em um sólido.




O QUE É ENERGIA SOLAR?

Definição de Energia Solar:
Energia solar é a energia proveniente da luz e do calor do Sol que é aproveitada e utilizada por meio de diferentes tecnologias, principalmente como o aquecimento solar, energia solar fotovoltaica, energia Heliotérmica e arquitetura solar. A energia solar é considerada uma fonte de energia renovável e sustentável.


Significado de Energia Solar no dicionário informal:
Energia Solar é a energia derivada do Sol na forma de radiação solar.




  
O Potencial da Energia Solar
A energia solar é considerada como inesgotável do ponto de vista humano. O potencial de energia solar é excepcional em comparação com todas as outras fontes de energia. Veja abaixo o potencial da energia solar em comparação com as outras fontes de energia. Ao lado direito da figura observamos o potencial total das fontes de energia não renováveis, ou seja, que provavelmente irão se esgotar algum dia, ao lado esquerdo vemos o potencial anual das energias alternativas que consideramos renováveis, ou seja, que se renovam anualmente.
  




Principais tecnologias de Energia Solar
Existem as mais variadas formas de aproveitar a energia solar como uma fonte de energia renovável. As principais tecnologias utilizadas são as seguintes:


1 - Energia Solar Térmica
É uma forma de energia alternativa e, uma tecnologia, para o aproveitamento da energia solar para gerar energia térmica ou energia elétrica para uso na indústria e ou residências. A primeira instalação de equipamentos de energia solar térmica ocorreu no deserto do Saara, aproximadamente em 1910, quando um motor foi alimentado pelo vapor produzido através do aquecimento d`água utilizando-se a luz solar.

2 - Coletor Solar - Aquecedor de Água Solar
É a forma mais conhecida de aproveitamento da energia solar térmica e é utilizado para aquecer água para banho em residências (os famosos aquecedores solares) e também para gerar água quente para uso industrial.

  
3 - Energia Solar Heliotérmica
Esta é uma outra forma de se utilizar o calor da energia solar para gerar energia elétrica. Na maioria das vezes utilizam-se concentradores, como espelhos, para focar a energia em um ponto específico, seja no topo de uma torre ou em um tubo a vácuo, para aquecer o líquido que há dentro e usar este líquido para gerar vapor e alimentar uma turbina elétrica a vapor.  Nas fotos a baixo você consegue ver estes dois tipos de tecnologias de energia solar utilizadas para gerar energia limpa.






4 - Energia Solar Fotovoltaica - Conversão Direta da Radiação Solar em Energia Elétrica


Além dos processos térmicos descritos acima, a  energia solar pode ser diretamente convertida em energia elétrica. A energia fotovoltaica é hoje a fonte de energia limpa que mais cresce no mundo. Ela usa materiais semicondutores como o silício cristalino para converter a luz solar em energia fotovoltaica (Energia solar elétrica). A energia fotovoltaica existe a mais de 100 anos e hoje é utilizada para gerar energia elétrica para milhares de residências e indústrias no mundo todo. Para ela ser aproveitada para gerar energia elétrica para casas e empresas as células fotovoltaicas (foto acima) precisam ser montadas dentro de um painel solar visando proteção e durabilidade e por sua vez, este painel solar, será conectado em outros painéis em um sistema solar fotovoltaico. O sistema solar fotovoltaico é composto por:
01- Painéis solares
02 - Inversor solar
03 - Sistema de fixação das placas solares
04 - Cabeamentos
05 - Conectores
06 - Outros materiais elétricos



Os métodos de captura da energia solar
São classificados em diretos ou indiretos e podem ser classificados também como passivos ou ativos:

Direto
São os métodos que precisam de apenas uma etapa para capturar a energia do sol e transformá-la em energia que pode ser utilizada pelos homens. Exemplo: Energia Solar Fotovoltaica - a energia solar atinge uma célula fotovoltaica criando eletricidade.

Indireto
São os métodos que precisam de duas ou mais etapas para converter a energia solar em energia utilizável por nós. Um bom exemplo de um método indireto é a energia heliotérmica onde a energia solar atinge os espelhos refletores que por sua vez concentram o calor em um tubo a vácuo por onde passa água e, esta, quanto tiver sido transformada em vapor alimentará uma turbina para gerar energia elétrica.

Sistemas Passivos e Ativos de Energia Solar
Os sistemas passivos de energia solar são normalmente diretos (como uma estufa que transfere o calor do sol para o ar mantendo o ambiente quente), já os sistemas ativos de energia solar, funcionam com o auxílio de dispositivos mecânicos para melhorar o desempenho da coleta da energia solar (como um tipo de sistema de aquecimento solar que utiliza uma bomba para forçar a circulação de água dentro do sistema).

  
Principais benefícios da Energia Solar


Benefícios da energia solar para o meio ambiente:
Sistemas de energia solar utilizam energia limpa e pura do sol. A instalação de painéis solares em sua casa ou empresa ajuda a combater as emissões de gases do efeito estufa e reduz a nossa dependência dos combustíveis fósseis como o petróleo. Exemplos:

1 - Um sistema fotovoltaico padrão de 6kWp vai evitar a emissão de gases poluentes durante toda a sua vida útil de 30 anos, equivalente a plantar árvores em 10 campos de futebol inteiros!

2 - Este mesmo sistema economizaria água de 6 piscinas olímpicas em comparação com uma hidrelétrica.

3 - Economia de 79 toneladas de carvão queimado.

4 - Economia de 500.000km rodados com gasolina.


Benefícios da Energia solar para o nosso Bolso:
A energia solar é uma excelente forma de economizar dinheiro! Isso mesmo, quem utiliza energia solar térmica, fotovoltaica ou mesmo iluminação natural economizara milhares de reais (R$) todos os anos.
Exemplo: um sistema fotovoltaico de 6kWp economizará para o seu dono por volta de R$ 250.000,00 ao longo de 30 anos de sua vida útil.

Sim, o investimento inicial é alto, porém a quantidade de dinheiro que o sistema vai lhe economizar ao longo de sua vida útil mais que compensa este investimento.
  

Energia Solar Residencial
 Existem diversas formas de se aproveitar a energia solar em uma casa, seja para secar a roupa no varal, para aquecer uma área através de uma estufa, produzir água quente para banho ou gerar energia elétrica utilizando-se um sistema fotovoltaico. Ao lado é possível visualizar um exemplo de como funciona a energia solar residencial fotovoltaica conectada na rede da distribuidora. De uma maneira simples:



Energia Solar Residencial em 5 passos

01-Painel fotovoltaico produz energia elétrica em Corrente Contínua (CC);

02-Inversor solar fotovoltaico converte a energia elétrica para ser usada na casa;

03-A energia pronta para ser usada é conectada e distribuída através do “quadro de luz”;

04-Tudo o que estiver conectado na tomada irá utilizar a energia gerada pelo sistema fotovoltaico;

05-Se o gerador de energia solar fotovoltaica produzir mais energia que do que você está consumindo esta energia é jogada para rede elétrica e lhe dará “créditos de energia” para serem utilizados a noite ou em dias que não há muito sol.

  

Energia Solar para Indústrias


Da mesma forma como o diagrama acima explica Energia Solar para Indústrias para uma casa, a energia solar fotovoltaica pode ser utilizada por uma indústria para produzir a sua própria energia elétrica. A diferença é basicamente o tamanho do sistema fotovoltaico, ou seja, enquanto em uma casa você utiliza alguns poucos painéis fotovoltaicos em uma indústria é utilizado centenas ou milhares. Outra forma muito difundida de se utilizar a energia solar para indústria é através do aquecimento solar de água para processos indústrias. Além destas duas formas, é muito comum utilizar claraboias em telhados de fábricas para que a luz solar entre e assim gerar uma economia de gastos com iluminação.


Os top 10 países em energia solar fotovoltaica - 2014
Abaixo duas tabelas que mostram os 10 países com mais energia solar fotovoltaica instalada até o final de 2014 (tabela da esquerda), e os países que mais instalaram energia solar fotovoltaica em 2014 (tabela da direita). Apenas como comparação, a Alemanha tem praticamente 3 vezes a potência instalada de Itaipu em energia fotovoltaica. A China instalou sozinha em 2014 praticamente o equivalente a uma usina de Belo Monte em energia fotovoltaica!



Curiosidades sobre energia solar

1 - A cada mês, a 1kWp de energia solar fotovoltaica irá impedir que aproximadamente 77kg de carvão sejam queimados no mundo.


2 - A indústria de energia solar é uma das 5 que mais crescem no mundo.


3 - Aproximadamente 30% da energia elétrica utilizada em uma casa é consumida pelo chuveiro elétrico. Ou seja, é possível economizar tudo isso com um aquecedor solar.


4 - Um avião movido a energia solar sobrevoou os EUA por mais de 4.000 km.

 



5 - Todos os anos a Austrália sedia uma corrida de carros elétricos movidos a energia solar. As velocidades médias dos carros ultrapassam os 100km/h!

 Foto Wikipedia: Vencedor de 2009 " Tokai Challenger"


6 - O MS Turanor PlanetSolar é o maior barco solar do mundo. Este catamarã opera exclusivamente em energia solar captada pelos seus 512m² de painéis solares. Com uma velocidade máxima de 26km/h, ele é o barco movido a energia solar que deu a volta mais rápido no mundo.
  

  

7 - No Brasil já é possível produzir a sua própria energia elétrica com sistemas fotovoltaicos e se houver produção de energia em excesso “vender” esta energia para rede pública através de créditos de energia.




A História da energia solar

A primeira bateria solar da Bell em Americus, Geórgia.


Os primórdios da História da energia solar estão marcados pela serendipidade.

O efeito fotovoltaico foi observado em 1839 pelo físico francês que observou pela primeira vez o paramagnetismo do oxigénio líquido, Alexandre Edmond Becquerel. Um muito jovem becquerel conduzia experiências eletroquímicas quando, por acaso, verificou que a exposição à luz de eléctrodos de platina ou de prata dava origem ao efeito fotovoltaico.

A serendipidade foi igualmente determinante na construção da primeira célula fotovoltaica. Nas palavras de Willoughby Smith numa carta a Latimer Clark datada de 4 de Fevereiro de 1873, a sua descoberta do efeito fotovoltaico no selénio foi um acidente inesperado:

 «Being desirous of obtaining a more suitable high resistance for use at the Shore Station in connection with my system of testing and signalling during the submersion of long submarine cables, I was induced to experiment with bars of selenium - a known metal of very high resistance. I obtained several bars, varying in length from 5 cm to 10 cm, and of a diameter from 1.0 mm to 1.5 mm. Each bar was hermetically sealed in a glass tube, and a platinum wire projected
from each end for the purpose of connection. (...) While investigating the cause of such great differences in the resistance of the bars, it was found that the resistance altered materially according to the intensity of light to which they were subjected.»

Na seqüência desta descoberta, Adams e o seu aluno Richard Day desenvolveram em 1877 o primeiro dispositivo sólido de fotoprodução de eletricidade, um filme de selénio depositado num substrato de ferro em que um filme de ouro muito fino servia de contacto frontal.
Este dispositivo apresentava uma eficiência de conversão de aproximadamente 0,5%.Charles Fritts duplicou essa eficiência para cerca de 1% uns anos depois construindo as primeiras verdadeira células solares, construindo dispositivos assentes igualmente em selénio, primeiro com um filme muito fino de ouro e depois um sanduiche de selénio entre duas camadas muito finas de ouro e outro metal na primeira célula de área grande.No entanto, não foram as propriedades fotovoltaicas do selénio que excitavam a imaginação da época mas sim a sua fotocondutividade, isto é, o fato de a corrente produzida ser proporcional à radiação incidente e dependente do comprimento de onda de uma forma que o tornava muito atraente como medir a intensidade da luz em fotografia. E de fato, estes dispositivos encontraram a sua primeira aplicação nos finais do século XIX pela mão do engenheiro alemão Werner Siemens (o fundador do império industrial homónimo) que os comercializou como fotómetros para máquinas fotográficas.

Embora tenha sido Russell Ohl quem inventou a primeira solar de silício, considera-se que a era moderna da energia solar teve início em 1954 quando Calvin Fuller, um químico dos Bell Laboratories em Murray Hill, New Jersey, nos Estados Unidos da América, desenvolveu o processo de dopagem do silício. Fuller partilhou a sua descoberta com o físico Gerald Pearson, seu colega nos Bell Labs e este, seguindo as instruções de Fuller, produziu uma junção p-n ou díodo mergulhando num banho de lítio uma barra de silício dopado com um elemento doador eletrônico. Ao caracterizar eletricamente a amostra, Pearson descobriu que esta exibia um comportamento fotovoltaico e partilhou a descoberta com ainda outro colega, Daryl Chapin, que tentava infrutiferamente arranjar uma alternativa para as baterias eléctricas que alimentavam redes telefónicas remotas.

As primeiras células fotovoltaicas assim produzidas tinham alguns problemas técnicos que foram superados pela química quando Fuller dopou silício primeiro com arsénio e depois com boro obtendo células que exibiam eficiências recorde de cerca de 6%.

A primeira célula solar foi formalmente apresentada na reunião anual da National Academy of Sciences, em Washington, e anunciada numa conferência de imprensa no dia 25 de Abril de 1954. No ano seguinte a célula de silício viu a sua primeira aplicação como fonte de alimentação de uma rede telefónica em Americus, na Geórgia.


Vamos falar agora do Silício
As primeiras utilizações de energia fotovoltaica resumiam-se a situações em que não estava disponível energia da rede, nomeadamente em locais remotos e, especialmente, fora da Terra, quer em satélites quer em sondas espaciais. De fato, embora inicialmente a NASA não estivesse muito convencida das vantagens da utilização de painéis solares aceitou, com alguma relutância, dotar o Vanguard I de um pequeno painel, seis células solares com uma área de apenas 1 dm2, para alimentar um transmissor back-up de outro alimentado por uma pilha de mercúrio. O transmissor do satélite, lançado em Março de 1958 e ainda em órbita, funcionou durante cerca de oito anos ... mas aquele alimentado pelas células solares, a pilha «convencional» falhou ao fim de vinte dias.

Depois do fiasco salvo pelas baterias solares, que tiveram aqui a sua prova de fogo, o programa espacial norte-americano passou a usar células solares nos seus satélites, solução igualmente adoptada pelo programa espacial soviético: o Sputnik-3, lançado cerca de dois meses depois do Vanguard I, estava igualmente dotado de um pequeno painel solar.

Na década de sessenta, a investigação em células solares surge quase como um efeito colateral da guerra fria entre as duas grandes superpotências da época. Ou seja, foi a guerra ao espaço que promoveu um grande desenvolvimento das células solares, desenvolvimento que foi essencialmente dirigido a um aumento de eficiência e tinha poucas ou nenhumas preocupações económicas.

A situação alterou-se no início da década de setenta, quando Joseph Lindmeyer, que trabalhava para a Communications Satellite Corporation, inventou uma célula de silício cerca de 50% mais eficiente que qualquer outra. Embora a Comsat fosse a dona da patente, o sucesso desta célula convenceu Lindmeyer de que a energia solar estava pronta para o público em geral. Lindmeyer saiu da Comsat e com Peter Varadi fundou a Solarex em 1973.

Aquela que foi uma das primeiras empresas a tentar vender aplicações «civis» da energia solar começou por produzir painéis fotovoltaicos para sistemas de telecomunicações remotos e bóias de navegação, o único tipo de aplicações terrestres que se pensava serem economicamente interessantes. Mas cerca de dois meses depois de fundada a Solarex, a conjuntura alterou-se drasticamente com o primeiro choque petrolífero e, subitamente, o mercado da energia solar conheceu uma expansão inesperada. Em 1980, a Solarex detinha metade de um pequeno mas crescente mercado de células solares.

A crise petrolífera de 1973 levou a outra corrida a programas de investigação em células solares, agora mais dirigidos para a redução dos custos de produção. Até aí os painéis solares eram baseados exclusivamente em células de silício monocristalino. Mas a fabricação das células solares tradicionais - as células de 1ª geração que, com excepção das células de arsenieto de gálio, são ainda as mais eficientes disponíveis no mercado - feitas deste material, o mesmo utilizado para a fabricação dos chips de computador, exige salas limpas e tecnologia muito sofisticada, o que as torna demasiado caras.

A investigação intensiva nesta área despoletada pela primeira crise petrolífera conduziu à descoberta de novos materiais, em particular o silício multicristalino ou mesmo silício amorfo, muito menos exigentes em termos de processo de fabricação, ou de métodos de produção de silício directamente em fita o que permite eliminar os desperdícios (e esfarelamento) no corte de um grande cristal em bolachas. A deposição dos contactos eléctricos por serigrafia, em vez das técnicas tradicionais de fotolitografia e deposição por evaporação de metais em vácuo, permitiu baixar ainda mais os preços de fabricação.

Em Março foi notícia a descoberta de um investigador do MIT, Emanuel Sachs, que anunciou ter conseguido aumentar a eficiência das células fotovoltaicas policristalinas, muito mais simples e baratas de fabricar.

Com as inovações introduzidas pelo cientista, a eficiência destas células, 19.5%, aproximou-se da eficiência das células convencionais mas os custos de fabricação são muito mais baixos: as células de silício monocristalino custam cerca de US$2.10 por watt gerado; as primeiras gerações destas novas células policristalinas deverão custar US$1.65 por watt gerado, quando fabricadas numa escala industrial. De acordo com Sachs, a curto prazo este preço deve baixar para US$1.30/watt. Como comparação, refere-se que o custo do watt gerado em centrais a carvão é de US$1.00. Sachs afirma que novos revestimentos antirreflexivos deverão permitir que as células solares policristalinas batam o preço do carvão por volta de 2012. As novas células solares policristalinas de alto rendimento são comercializadas pela empresa que fundaram, a 1366 Technologies.

Para além dos Estados Unidos, outro país que tem investido muito em investigação nesta área tem sido a Alemanha que é já o maior mercado de células fotovoltaicas a nível mundial, deixando o Japão, outro país que tem investido massivamente na área, para trás. Ambos os países tem contribuído para tornar a energia solar competitiva, baixando os custos de produção através do desenvolvimento de novas técnicas de produção e criando uma procura que ajudou as indústrias a ultrapassarem a massa crítica no mercado de energia.

Este ano, a Evonik e SolarWorld anunciaram a abertura de uma fábrica de produção de silício «solar» em Rheinfelden, na Alemanha, como parte do seu consórcio Joint Solar Silicon. O seu novo processo de produção de filmes ultra-finos de silício permite uma economia de até 90% da energia utilizada nos processos de produção
convencionais. A nova fábrica terá uma capacidade de produção de 850 toneladas de silício «solar» por ano e a matéria-prima será fornecida pela fábrica de silano (SiH4) da Evonik.

As células de filme fino, embora com uma eficiência em laboratório inferior às células de primeira geração, frequentemente permitem melhores resultados em comparação com as células clássicas nas aplicações reais do dia-a-dia, devido a perdas inferiores às temperaturas elevadas de funcionamento e a uma melhor eficiência em condições de baixa intensidade de luz. No entanto, o crescimento da fatia de mercado destas células tem sido limitado pela sua baixa disponibilidade no mercado. As células convencionais dominam por enquanto o mercado das fotovoltaicas e a falta de silício monocristalino  tem limitado o crescimento do setor e aumentado muito o preço deste material e, conseqüentemente, dos painéis solares.
  

Chegou à vez do Plástico



A conversão de energia solar em eletricidade pode ser uma das soluções para a crise energética que o mundo enfrenta. O elevado preço (e o consumo de energia) associado à obtenção do silício utilizado nas células convencionais impede uma maior contribuição da energia fotovoltaica na produção de energia. Embora existam outras alternativas, as células solares de plástico, OPVs, que podem ser fabricadas a baixo custo (também a nível energético), são atualmente as mais promissoras.

De fato, a facilidade de processamento de polímeros, quando comparada com a dos tradicionais semicondutores inorgânicos, apresenta como atractivo o desenvolvimento de técnicas de custo reduzido para aplicações que requerem semicondutores de hiato no visível. Um novo setor da indústria eletrônica  e fotônica baseado em materiais plásticos, em vez de silício, está já a surgir. Dispositivos, circuitos e sistemas em plástico, de muito baixo custo, que podem ser impressos sobre qualquer material, começam a aparecer no mercado.

Em paralelo com a eletrônica convencional baseada no silício está a emergir um novo paradigma baseado, não no elevado desempenho e miniaturização dos componentes, mas sim no baixo custo de fabricação. A eletrônica de plástico, também chamada eletrônica orgânica, assenta no baixo custo do processamento e na possibilidade de manipulação química para atingir as propriedades desejadas nos materiais. Uma vez que os semicondutores orgânicos podem ser concebidos de modo a ser solúveis em solventes comuns, podem ser usadas tecnologias de produção como impressão a jacto de tinta ou estampagem.

Um dos objetivos mais ambiciosos para produzir circuitos e dispositivos eletrônicos de baixo custo baseia-se no uso de impressoras rotativas de alta velocidade (como as usadas para imprimir os jornais), que podem imprimir milhares de circuitos ou dispositivos por metro quadrado que depois podem ser separados por processos automáticos. O uso de substratos flexíveis de plástico ou papel permite atingir custos extremamente baixos para certos tipos de circuitos como os que futuramente irão substituir o atual código de barras.
Outra aplicação da eletrônica de plástico, que promete revolucionar a indústria de iluminação, é o uso de OLEDs (de luz branca, se assim se quiser) em painéis de iluminação. As eficiências e tempos de vida já excedem as das lâmpadas incandescentes. A iluminação baseada nesta tecnologia, possibilitará iluminação difusa, com painéis de grande área e cuja intensidade de iluminação pode ser controlada. Também existem LEDs de materiais inorgânicos bastante eficientes, mas de muito maior custo de fabricação.

Mas é nível de dispositivos fotovoltaicos que este novo paradigma da se torna muito aliciante. A flexibilidade de desenhar polímeros que apresentam as propriedades que se queiram para além da tecnologia barata já bem desenvolvida para todos os tipos de filmes plásticos tornaria essa aplicação um sucesso. A flexibilidade mecânica de materiais plásticos seria bem-vinda para integração arquitetônica, nomeadamente em superfícies curvas inacessíveis às tecnologias assentes nos materiais inorgânicos tradicionais.

Assim, não é surpreendente que exista um esforço de investigação significativo no desenvolvimento de OPVs. No entanto, é ainda comparativamente inferior o desempenho de dispositivos fotovoltaicos que utilizam um polímero conjugado para absorção de radiação, devido a um baixo rendimento de fotogeração, uma recombinação radiativa considerável e baixa mobilidade dos portadores de carga.

As eficiências de conversão da energia solar, PCE, de todas as OPVS referidas na literatura são muito baixas quando comparadas com as células fotovoltaicas inorgânicas. Uma eficiência fotovoltaica elevada requer uma absorção de luz eficiente e um bom transporte de cargas. Os polímeros apresentam uma mobilidade de cargas muito menor que os seus equivalentes inorgânicos para além de o seus espectro (a parte da luz absorvida) não coincidir com o espectro da luz solar. As mais eficientes, que assentam na utilização de misturas de polímeros com derivados do fullereno, C60, apresentam PCEs à volta de 6%, o que não as torna atrativas para comercialização embora a tecnologia mais barata envolvida e a possibilidade de fabricação de áreas muito grandes sejam um ponto a favor das OPVs para algumas aplicações, por exemplo como tinta de revestimento de superfícies metálicas.



Outras alternativas
Outra alternativa inorgânica às células de silício figurou no número de Fevereiro de 2008 da Chemistry World. O artigo «First sales for 'world's cheapest solar cells’» dava conta das primeiras vendas para o público em geral das células fotovoltaicas desenvolvidas pela Nanosolar. Esta empresa americana anunciou nessa data a produção comercial de células de filme fino baseadas numa tinta de um semicondutor muito durável (segundo indicações da Nanosolar, poderá ser usado durante 25 anos). Este semicondutor inorgânico, designado CIGS (acrónimo de Copper Indium Gallium Diselenide, diselenieto de cobre índio e gálio ) apresenta vantagens  em relação ao silício no processo de fabricação, no rendimento e custo de produção de painéis solares.

Os painéis solares produzidos são revestidos com uma mistura homogénea de nanoparticulas dos vários componentes da tinta o que garante uma deposição uniforme na extensão de área que se desejar. O revestimento é posteriormente aquecido de forma a ser obtido um filme fino e contínuo. Os painéis assim produzidos apresentam uma PCE de 19,5% a um custo de apenas 13 cêntimos de dólar por cada Watt produzido (entre 1/10 a 1/5 do custo possível com as células inorgânicas convencionais). O processo de produção é rápido e possibilita um menor desperdício de material, já que se trata de uma tinta que pode ser distribuída por vários tipos de suporte com formas variadas.




A tinta CIGS «Copper Indium Gallium Diselenide» da Nanosolar O problema com estas células reside no fato de o índio ser um elemento muito pouco abundante na Terra e ser extensivamente usado em muitas outras aplicações. Isto é, o índio, o componente fulcral destas células, é um elemento muito raro e dispendioso e se o preço a que estas células fotovoltaicas conseguem produzir energia elétrica é muito atraente, a perspectiva de uma utilização massiva que esgotaria as nossas reservas de índio ensombra esta alternativa.



REFERÊNCIAS:

Eduardo de Campos Valadares, Alaor S. Chaves e Esdras Garcia Alves, Aplicações da Física Quântica: Do Transistor à Nanotecnologia (Livraria da Física, São Paulo, 2005), 1ª ed.

Robert Boylestad e Louis Nashelsky, Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos (Prentice-Hall do Brasil, Rio de Janeiro, 1994), 5ª ed.

Reginaldo da Silva, Adenilson J. Chiquito, Marcelo G. de Souza e Rodrigo P. Macedo, Revista Brasileira de Ensino de Física 26, 379 (2004).

 Marisa Almeida Cavalcante, Cristiane R.C. Tavolaro, Dione Fagundes de Souza e João Muzinatti, Física na Escola 3:1, 24 (2002).

 L. Nieves, G. Spavieri, B. Fernades e R.A. Guevara, The Physics Teacher 35, 108 (1997).

Marisa Almeida Cavalcante, Cristiane R.C. Tavolaro e Rafael Haag, Física na Escola 6:1, 75 (2005).

 Marisa Almeida Cavalcante e Rafael Haag, Revista Brasileira de Ensino de
Física 27, 343 (2005).

WEB:

O que é energia solar e como funciona o processo de geração de eletricidade via radiação solar?
Acessado em 15/05/2016

Sistemas de energia solar fotovoltaica e seus componentes
Acessado em 18/06/2016

Vantagens e desvantagens da energia solar
Acessado em 20/06/2016




APPÊNDICE: TESTANDO PAINEL SOLAR DE LED'S:


01-Lâmpada Fluorescente de 25Watts desligada, mas a luminosidade do ambiente o voltímetro registra uma tensão de  0,15 em seus terminais.
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02-Detalhe construtivo do painel solar de LED'S



04-O Voltímetro no destalhe (Lâmpada desligada) regista entre 0,13V e 0,15V. Esta pequena tensão é provocada pela luminosidade do ambiente.




05-Lâmpada fluorescente de 25 Watts ligada e posicionada bem próximo a PLACA SOLAR DE LED'S.




06-Neste estado de Lâmpada ligada o voltímetro registra em seus terminais a tensão de 1,04 Volts.




07-Logo após desligar a lâmpada o voltímetro volta ao estado inicial.

OBS: Em testes da placa exposta ao sol de  meio-dia, foi registrado pelo voltímetro o valor aproximado de 4,5 Volts.

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