Solar fotovoltaico

Estima-se que em latitudes na França, em torno de 45 °, a energia solar potencialmente utilizável é de 1500 kwh / m² por ano.

Veja o mapa do sol francês eIrradiação solar DNI da França.

Com rendimentos atuais de cerca de 10 a 15%, passamos de 150 a 225kwh / m².an.

Painéis solares denominados “não integrados”.

Princípio de funcionamento da energia fotovoltaica

Uma célula fotovoltaica é feita de materiais semicondutores. Estes são capazes de transformar a energia fornecida pelo sol em carga elétrica e, portanto, em eletricidade, pois a luz solar excita os elétrons desses materiais. A curva de absorção desses materiais começa em comprimentos de onda baixos até um comprimento de onda limite de 1,1 micrômetro para o silício.

O silício é o principal componente de uma célula fotovoltaica.

Física de uma célula fotoelétrica (retirada do site do CEA)

Diagrama funcional de uma célula fotoelétrica.

O silício foi escolhido para fazer células solares fotovoltaicas por suas propriedades eletrônicas, caracterizadas pela presença de quatro elétrons em sua camada periférica (coluna IV da tabela de Mendeleiev). No silício sólido, cada átomo está ligado a quatro vizinhos, e todos os elétrons da camada periférica participam de ligações. Se um átomo de silício é substituído por um átomo da coluna V (fósforo, por exemplo), um dos elétrons não participa das ligações; ele pode, portanto, mover-se pela rede. Há condução por um elétron, e o semicondutor é dopado do tipo n. Se, ao contrário, um átomo de silício é substituído por um átomo da coluna III (boro, por exemplo), falta um elétron para fazer todas as ligações e um elétron pode vir para preencher essa lacuna. Dizemos então que há condução através de um orifício, e o semicondutor é dopado do tipo p. Átomos como boro ou fósforo são contaminantes de silício.

Quando um semicondutor do tipo n é colocado em contato com um semicondutor do tipo p, o excesso de elétrons no material n difunde-se no material p. A zona inicialmente dopada com n torna-se carregada positivamente, e a zona inicialmente dopada com p torna-se carregada negativamente. Um campo elétrico é, portanto, criado entre as zonas n e p, o que tende a empurrar os elétrons de volta para a zona n e um equilíbrio é estabelecido. Uma junção foi criada e, adicionando contatos de metal nas áreas ne p, um diodo é obtido.
Quando esse diodo está aceso, os fótons são absorvidos pelo material e cada fóton dá à luz um elétron e um buraco (falamos do par elétron-buraco). A junção do diodo separa os elétrons e os orifícios, originando uma diferença de potencial entre os contatos ne ep, e uma corrente flui se um resistor for colocado entre os contatos do diodo (figura).

Tecnologias disponíveis no mercado.

Os módulos atuais são diferenciados pelo tipo de silício que usam:

• silício monocristalino: os sensores fotovoltaicos são baseados em cristais de silício encapsulados em um envelope plástico.
• silício policristalino: os sensores fotovoltaicos são baseados em policristalinos de silício, que são mais baratos de fabricar do que o silício monocristalino, mas que também têm um rendimento um pouco menor. Esses policristais são obtidos por fusão de sucata de silício de qualidade eletrônica.
• silício amorfo: os painéis “spread” são confeccionados em silício amorfo de alto poder energizante e apresentados em faixas flexíveis que permitem uma perfeita integração arquitetônica.

Construtores de células.

As cinco maiores empresas que fabricam células fotovoltaicas compartilham 60% do mercado mundial. Essas são as empresas japonesas Sharp e Kyocera, as empresas americanas BP Solar e Astropower e a alemã RWE Schott Solar. O Japão produz quase metade das células fotovoltaicas do mundo.

Aplicações de energia elétrica solar

Atualmente, as principais áreas de uso são residências isoladas, mas também para dispositivos científicos, como sismógrafos.

O primeiro domínio a usar essa energia é o domínio do espaço. Na verdade, quase toda a energia elétrica dos satélites é fornecida por fotovoltaicos (alguns satélites teriam pequenos motores de rotação).

benefícios

• Energia elétrica não poluente em uso e faz parte do princípio do desenvolvimento sustentável,
• Fonte de energia renovável porque é inesgotável à escala humana,
• Pode ser usado em países em desenvolvimento sem uma rede elétrica importante ou em locais isolados, como nas montanhas, onde não é possível se conectar à rede elétrica nacional.

Exemplo de uma fonte isolada, um sismógrafo alimentado por um painel fotovoltaico do vulcão Soufriere em Guadalupe.

desvantagens

• O custo fotovoltaico é alto porque provém de alta tecnologia,
• o custo depende da potência de pico, o custo atual do watt de pico é de cerca de 3,5 € ou cerca de 550 € / m² de células solares,
• o rendimento atual das células fotovoltaicas permanece bastante baixo (cerca de 10% para o público em geral) e, portanto, fornece apenas baixa potência,
• mercado muito limitado, mas em desenvolvimento
• a produção de eletricidade é feita apenas durante o dia, enquanto a maior demanda é à noite,
• armazenar eletricidade é muito difícil com as tecnologias atuais (custo ecológico muito alto das baterias),
• vida útil: 20 a 25 anos, após o silício "cristalizar" e tornar a célula inutilizável,
• poluição durante a fabricação: alguns estudos afirmam que a energia usada para fabricar células nunca é lucrativa durante os 20 anos de produção,
• da mesma forma no final da vida: a reciclagem de células apresenta problemas ambientais.

mais:
- Balanço energético da energia solar fotovoltaica
- Mapa do campo solar francês
- Sistemas solares fotovoltaicos integrados ao edifício (documento CEA)