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Como é gerada a energia fotovoltaica e suas aplicações



A energia fotovoltaica é a energia solar convertida em energia elétrica através de células fotovoltaicas. Devido ao efeito fotovoltaico, essas células são capazes de transformar a energia do sol em uma energia renovável e não poluente, mas com baixa eficiência individual. Venha entender melhor como funciona essa tecnologia e como podemos produzir mais dessa energia.


Como funcionam células voltaicas


A célula fotovoltaica é o dispositivo elétrico responsável por converter a energia da luz do sol diretamente em energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico. Para isso, as células fotovoltaicas são produzidas a partir de materiais semicondutores.


Para entender seu funcionamento é fundamental compreender o funcionamento do efeito fotovoltaico, que consiste no deslocamento de elétrons entre a banda de valência e a banda de condução de materiais semicondutores devido a incidência de fótons em determinada frequência, gerando uma tensão elétrica.


Entretanto, os semicondutores tendem a permanecer neutros, não transportando elétrons. Para solucionar esse problema é feita a mistura do semicondutor com outros elementos químicos que o modificam. Assim dando origem aos semicondutores do Tipo-N, que são negativamente carregados, e do Tipo-P, positivamente carregados, que são unidos.


Quando essa união recebe os fótons da luz, os elétrons da camada negativa migram para a camada positiva, criando a corrente elétrica responsável pela energia solar fotovoltaica.


Tipos de células fotovoltaicas 


Silício cristalino


As células de silício cristalino são as mais utilizadas no mercado e são feitas de, como o próprio nome já diz, silício cristalino (C-Si). Para serem produzidas, fatias de lingotes de silício purificado são tratadas quimicamente a fim de facilitar o efeito fotovoltaico e produzir energia elétrica.



Silício monocristalino: As células desse tipo são as mais eficientes devido a sua fabricação ser feita a partir de apenas um único cristal de silício, apresentando entre 15% e 18% de eficiência. 


Silício policristalino: Ao contrário do processo para formação do monocristalino, aqui o silício se cristaliza livremente, criando vários cristais, o que dá origem ao nome policristalino. Ele apresenta uma eficiência menor em relação ao monocristalino, entre 13% e 15%, mas apresenta uma vantagem pelo menor custo de produção.


Filme fino


Como alternativa às células de silício cristalizado, foram criadas células fotovoltaicas mais baratas com uma fina película nanométrica, o filme fino. Essa geração de células não teve sucesso no mercado por ter menor eficiência e vida útil e por causa do barateamento das células de silício cristalino.


Apesar de suas desvantagens, células de filme fino se mostram importantes atualmente e apresentam diversas aplicações devido a menor quantidade de matéria prima e energia utilizadas em sua fabricação. Essas células de película fina possuem eficiência de apenas 2% a 3% menor que células fotovoltaicas de silício cristalino e entre suas aplicações podemos citar células solares flexíveis e transparentes e células fotovoltaicas pequenas, como de calculadoras. 


Aspectos positivos


  • Energia 100% renovável, inesgotável e não poluente: a produção de energia fotovoltaica não consome combustíveis nem gera resíduos que poluem o meio ambiente.


  • Economia de energia: a energia elétrica produzida por painéis solares é descontada de contas de luz durante seu funcionamento.


  • Alta durabilidade: painéis solares apresentam uma vida útil de 25 a 30 anos, sendo 4 a 7 anos para compensar seu custo de instalação e 20 anos em média de funcionamento.


  • Custos: os preços de painéis solares vem caindo cada vez mais, tendo diminuído em 90% entre 2010 e 2019.


  • Acessibilidade: energia fotovoltaica é extremamente adequada para regiões rurais ou isoladas de centros urbanos, onde não chega uma rede elétrica apropriadamente. 


Aspectos negativos 


  • Alto custo de instalação: Apesar da queda que vem ocorrendo durante os últimos anos no preço das placas solares, ela ainda apresenta um custo de instalação pouco atrativo perto de outras fontes de energia.


  • Baixa eficiência individual: A sua eficiência varia de acordo com o material da placa, mas dificilmente alguma passa de 14% de eficiência.


  • Período de funcionamento: Por se tratar de uma fonte de energia solar ela depende da presença dele para produção, ficando portanto inutilizada durante os períodos noturnos ou nublados.


  • Instabilidade: Em ambientes quentes e úmidos as células fotovoltaicas apresentam uma queda em sua produção.


Aplicações


O uso mais conhecido popularmente de painéis solares é a sua utilização em residências, normalmente afastadas dos grandes centros urbanos e em larga escala. Empresas, indústrias e a agricultura também podem se beneficiar da utilização da energia solar para cortar gastos com a conta de luz principalmente. Dentre as indústrias que utilizam essa tecnologia, se destacam os setores tecnológicos, mecânicos, alimentícios e farmacêuticos. Na Unicamp, podem ser vistos diversos painéis solares em uma das entradas do campus da Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação. 

 

Outra aplicação de células solares é em satélites espaciais. Em 1959, os Estados Unidos lançaram um satélite que tinha asas compostas por painéis solares, com um total de 9600 células fotovoltaicas. Esse modelo se tornou o padrão para a maioria dos satélites e atualmente é a principal fonte de energia para equipamentos no espaço. 


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