Geração de energia fotovoltaica: explorando as profundezas

A geração de energia fotovoltaica, aproveitando o efeito fotovoltaico nas interfaces semicondutoras, converte diretamente a energia óptica em energia elétrica. Esta tecnologia compreende três componentes essenciais: painéis solares (módulos), controladores e inversores. Esses componentes, compostos principalmente por elementos eletrônicos, se fundem em um sistema integrado de geração de energia fotovoltaica.

Com suas vantagens distintivas, a energia solar tem assumido destaque. A radiação solar abundante emergiu como uma fonte de energia vital, incorporando características como disponibilidade ilimitada, atributos livres de poluição, preço acessível e acessibilidade irrestrita. O influxo de energia solar ao nível do solo pode atingir níveis notáveis ​​de 800 MWhm por segundo. Os atributos cativantes da energia solar alimentaram sua trajetória de crescimento desde a década de 1980.

Princípios Fundamentais

No centro da geração de energia fotovoltaica está o efeito fotoelétrico dentro dos semicondutores. Após a irradiação por fótons, esses semicondutores absorvem energia e liberam elétrons. Quando esta energia liberada supera as forças de ligação dentro do átomo, forma uma corrente elétrica. O silício, com seus quatro elétrons externos, transforma-se em semicondutores do tipo N após a incorporação de cinco elétrons externos de elementos como o fósforo. Por outro lado, o boro produz semicondutores do tipo P. A junção de semicondutores tipo P e tipo N gera uma diferença de potencial, dando origem a uma célula solar. Quando a luz solar atinge a junção PN, uma corrente flui do lado tipo P para o lado tipo N.

O efeito fotoelétrico, fenômeno fundamental na física, manifesta-se quando certas substâncias absorvem energia de ondas eletromagnéticas acima de uma frequência específica, gerando uma corrente – eletricidade óptica.

A produção de silício policristalino culmina em lingotes, fatias e pastilhas de silício, que são então processados. A introdução de vestígios de boro e fósforo na pastilha de silício forma uma junção PN. A impressão subsequente em malha de seda, aplicação de pasta de prata finamente combinada, sinterização, aplicação de eletrodo traseiro e deposição de revestimento anti-reflexo completam a montagem da célula solar. Essas células são combinadas em módulos, envoltos em um invólucro de alumínio com vidro cobrindo a frente e equipados com eletrodos traseiros. Juntamente com dispositivos auxiliares, forma um sistema de geração de energia fotovoltaica. A conversão CC para CA requer um inversor, permitindo a injeção de energia na rede pública ou no armazenamento de baterias. Os componentes da bateria normalmente representam 50% dos custos do sistema, sendo o restante composto por conversores, taxas de instalação, componentes auxiliares e outras despesas.

Prós e Contras

Vantagens

Num contexto de recursos energéticos convencionais limitados em todo o mundo, a energia solar surge como um farol. As reservas finitas de combustíveis fósseis da China são insignificantes em comparação com as médias globais, situando-se em apenas 10%. A energia solar, um recurso renovável, seguro, isento de ruído e não poluente, não está confinada a restrições geográficas. Suas aplicações abrangem telhados, regiões com terrenos complexos e muito mais. A energia solar evita a necessidade de consumo de combustível e geração de energia no local, alinhando-se bem com estratégias energéticas de longo prazo.

Em comparação com a geração de energia térmica convencional, a geração de energia fotovoltaica apresenta vários méritos:

1: Sem perigos inerentes

2:Totalmente seguro e confiável, livre de ruído e poluição

3:Impermeável a restrições geográficas, adequado para diversos locais

4: Independente de combustível, eliminando a necessidade de geração de energia no local

5: Oferece energia de alta qualidade

6: Aceito emocionalmente pelos usuários

7:Ciclo de construção rápido e geração de energia econômica

Desvantagens

No entanto, a produção de painéis solares pode consumir muita energia e ser prejudicial ao meio ambiente. A atual fabricação de painéis solares, embora benéfica para o mundo, pode causar poluição externa e contaminar internamente. A elaboração de um painel solar de 1m x 1,5m requer a queima de mais de 40 kg de carvão, enquanto as centrais térmicas chinesas mais eficientes podem gerar 130 kWh de eletricidade com a mesma quantidade de carvão. Além disso, os desafios incluem:

1: Baixa densidade de energia exigindo uso extensivo do solo

2: Produção de energia variável com base nas condições meteorológicas

3: Maior custo de geração em comparação com energia térmica

4: Processos de fabricação ambientalmente hostis para painéis fotovoltaicos

Classificação de Sistemas

Geração de energia fotovoltaica autônoma

A geração de energia fotovoltaica autônoma, também conhecida como geração de energia fotovoltaica fora da rede, é composta por painéis solares, controladores e baterias. Nos casos que requerem alimentação CA, um inversor é essencial. Ele atende aplicações como fonte de alimentação de vilas em áreas remotas, sistemas de energia solar doméstica, fonte de alimentação de sinal de comunicação, proteção catódica e iluminação pública solar.

Geração de energia fotovoltaica conectada à rede

A geração de energia fotovoltaica conectada à rede transforma a eletricidade CC dos painéis solares em eletricidade CA que atende aos padrões da rede elétrica municipal por meio de inversores conectados à rede. Esta classificação inclui sistemas com e sem armazenamento de bateria.

Os sistemas conectados à rede com baterias oferecem recursos ajustáveis ​​e podem ser conectados ou desconectados da rede elétrica conforme necessário. Eles podem atuar como backup de emergência durante quedas de energia. Tais sistemas são frequentemente instalados em edifícios residenciais. Por outro lado, os sistemas conectados à rede sem baterias fornecem programação de energia e funções de backup e são normalmente usados ​​para instalações maiores.

Geração Distribuída de Energia Fotovoltaica

A geração distribuída de energia fotovoltaica envolve sistemas fotovoltaicos de pequena escala nos locais dos usuários ou próximos a eles para atender às necessidades específicas de energia ou reforçar a rede elétrica existente. É composto por componentes como painéis fotovoltaicos, suportes, caixas de junção CC, inversores conectados à rede e gabinetes de distribuição de energia CA. Operando sob radiação solar, este sistema converte energia solar em energia CC e ajusta o balanço energético conectando-se à rede.