Como funciona a Geração Solar?

A radiação solar (calor e luz) pode ser transformada em energia elétrica por meio de efeitos sobre determinados materiais, entre os quais se destaca o fotovoltaico, um efeito físico-químico. Neste caso, os fótons contidos na luz solar convertem os elétrons dos semicondutores presentes em células fotovoltaicas em corrente elétrica, conforme representado na Figura 1. As células são montadas em formato de painel ou placa, sendo tradicionalmente usadas 36, 60 ou 72 células interligadas em série.

Figura 1: Processo de Geração Elétrica com Painéis Fotovoltaicos

Fonte: Elaboração CBIE

Os semicondutores das células fotovoltaicas comerciais são normalmente produzidos a partir de silício cristalino, que pode ter variados graus de pureza e eficiência. Os processos utilizados para melhorar a pureza do silício e o tratamento dele são caros e impactam diretamente no preço e eficiência energética do painel solar. Outros materiais podem ser utilizados como os metais cádmio e gálio e combinações de vários metais em placas de tecnologias mais avançadas. Estas combinações, chamadas de multijunção, possuem uma eficiência energética muito acima das placas de silício, mas também com custos tão altos que inviabilizam sua adoção em escala industrial, atualmente.

Os parques solares para geração elétrica comercial podem conter milhares de painéis fotovoltaicos. Podem ser instalados em áreas planas ou inclinadas em terra ou mesmo em lagos e no litoral, como mostra a Figura 2:

Figura 2: Exemplos de Parques Solares Terrestres e Marítimos

Fonte: Reprodução Internet

Os painéis solares podem ser utilizados para um sistema isolado, como pequenas operações de maquinário e até um único domicílio. Cada vez mais, grandes parques solares são conectados a sistemas integrado de distribuição elétrica, como observado na Figura 3.

Figura 3: Geração Fotovoltaica para Rede de Distribuição Elétrica

Fonte: Reprodução Internet

O fluxo de elétrons gerado pelos painéis solares é em corrente contínua, portanto um inversor é utilizado para alterar a frequência para corrente alternada, um processo necessário para o aproveitamento da eletricidade tanto para uso imediato ou para entrar na rede de distribuição. Em residências ou estabelecimentos comerciais ou industriais, que possuem painéis solares e estão conectados à rede, um medidor de energia bidirecional é utilizado para verificar qual o saldo líquido de eletricidade é consumido no local. Em muitos países, inclusive no Brasil, é possível com alguns painéis solares vender eletricidade ao sistema de distribuição desta maneira, gerando créditos que reduzem a tarifa elétrica.

Outro efeito da radiação solar para geração elétrica é aproveitamento térmico do colar solar para aquecimento de fluidos, com uso dos chamados concentradores solares. Os concentradores solares destinam-se a aplicações que requerem temperaturas mais elevadas, como a produção de vapor. Pode-se gerar energia mecânica com o auxílio de uma turbina a vapor, e, posteriormente, eletricidade, por meio de um gerador, conforme observado na Figura 4. Estas instalações de geração solar são normalmente projetos de grande escala que exigem alto investimento de capitais.

Figura 4: Geração Elétrica com Concentradores Solares

Fonte: Reprodução Internet

Os parques solares estão considerados entre as melhores fontes de energia renovável, por não emitirem gases de efeito estufa ou tóxicos, nem outro tipo de poluição, contribuindo na redução da queima de combustíveis fósseis. Entre outras vantagens da geração solar se incluem o baixo custo de manutenção e a longa duração dos painéis após o investimento em sua instalação. Por outro lado, se deve levar em consideração que o custo por energia gerada não é tão competitivo com outras fontes de geração elétrica sem subsídios.

Em termos de disponibilidade de geração, há a questão da necessidade da luz solar, o que torna sua utilização apenas no turno diurno e passível de redução em caso de nebulosidade/chuvas. Alguns locais no mundo têm grande potencial de geração, principalmente em regiões tropicais e perto do equador de baixa precipitação, enquanto áreas fora dos trópicos obtêm pouca incidência de luz solar, reduzindo ainda mais a potência da geração elétrica de painéis fotovoltaicos.

Como na geração eólica, há a questão importante de que as baterias de armazenamento da geração em períodos de maior geração não são grandes o suficiente para proporcionar segurança de abastecimento a consumidores de larga escala. Além disso, parques solares necessitam de grandes áreas para gerarem muita energia elétrica.

Os estudo teóricos com o efeito da produção de corrente elétrica diretamente de fótons de luz se iniciaram no século XIX, mas amadureceram no início do século XX, enquanto as experiências práticas em meados da década levaram à primeira produção comercial, nos Estados Unidos, na década de 1950. Porém, somente a partir de financiamentos maiores na década de 1970 reduziram o custo de células solares para algo realista, mesmo que com subsídios, e os parques solares começaram a ser construídos na década de 1980. O estudo na área se aprofundou, e a partir dos anos 2000 a energia solar passou a competir seriamente com outras fontes de geração.

Em 2018, de acordo com dados da Agência de Energia Internacional (International Energy Agency – IEA), a produção global de energia solar foi de 585 Terawatt-hora (TWh), cerca de 2,2% do total de eletricidade gerado no ano. A IEA projeta uma expansão de quase 50% na capacidade instalada global nos cinco anos entre 2019 e 2024 no seu cenário base. Este é um bom indicativo de como esta fonte está se tornando importante, ainda mais dentro do contexto de Transição Energética para uma economia de baixo carbono nas próximas décadas. Os principais produtores de energia eólica do mundo são, em ordem: China, Estados Unidos, Japão, Alemanha e Índia. No Brasil, o crescimento da fonte solar é apresentado no Gráfico 1.

Gráfico 1: Evolução da Geração e Potência Instalada – Solar

Fonte: ONS – Sistema Integrado Nacional (SIN)

Nos últimos três anos, registra-se um crescimento enorme dos parques solares no Brasil, especialmente nas regiões Nordeste e Norte, aumentando a importância dessa fonte para o atendimento da demanda. O Plano Decenal de Expansão de Energia 2029, o estudo mais recente de planejamento energético do Ministério de Minas e Energia, projeta um crescimento de mais de 30% na capacidade instalada, de cerca de 2,5 GW para quase 4 GW já em 2022. Tanto quanto as usinas eólicas, os parques solares estão sendo rapidamente integrados ao sistema de geração elétrica brasileira.

(Fonte: CBIE)