THE FUTURE OF SOLAR ENERGY: OVERCOMING EFFICIENCY BARRIERS
REGISTRO DOI:10.5281/zenodo.10916410
Valter Vasquez Castro1
João Edson Leite Junior1
RESUMO
A energia solar é uma fonte de energia renovável que utiliza a luz do sol para gerar eletricidade. No entanto, a eficiência da conversão de energia solar em eletricidade por painéis solares é relativamente baixa, variando entre 14% e 22%. Isso significa que apenas uma pequena porção da energia solar captada é convertida em energia utilizável. Vários fatores influenciam essa eficiência. A temperatura da célula solar, a irradiação solar e a massa de ar são alguns dos fatores que podem afetar a eficiência de um painel solar. Além disso, a eficiência é medida em condições de laboratório, que podem não refletir as condições reais. Embora a eficiência dos painéis solares possa parecer baixa, é importante lembrar que a luz solar é uma fonte de energia inesgotável. Portanto, mesmo uma eficiência de conversão de 20% pode fornecer uma quantidade significativa de energia. Além disso, pesquisas estão em andamento para aumentar a eficiência dos painéis solares. Por exemplo, um estudo recente menciona um novo sistema de proteção para células solares que poderiam funcionar por 30 anos com uma eficiência energética próxima dos 80%..
Palavras-chave: Placa Solar. Energia Solar. Eficiência.
Abstract
Solar energy is a renewable energy source that uses sunlight to generate electricity. However, the efficiency of converting solar energy into electricity by solar panels is relatively low, ranging between 14% and 22%. This means that only a small portion of the solar energy captured is converted into usable energy. Several factors influence this efficiency. Solar cell temperature, solar irradiation and air mass are some of the factors that can affect the efficiency of a solar panel. Additionally, efficiency is measured under laboratory conditions, which may not reflect actual conditions. Although the efficiency of solar panels may seem low, it is important to remember that sunlight is an inexhaustible source of energy. Therefore, even a conversion efficiency of 20% can provide a significant amount of energy. Additionally, research is underway to increase the efficiency of solar panels. For example, a recent study mentions a new protection system for solar cells that could operate for 30 years with an energy efficiency close to 80%.
Keywords: Solar Plate. Solar energy. Efficiency.
INTRODUÇÃO
Nos últimos anos, a busca por fontes de energia renovável tem ganhado destaque em todo o mundo devido à crescente preocupação com a redução da dependência de combustíveis fósseis e a necessidade premente de mitigar os impactos adversos das mudanças climáticas. Nesse contexto, a energia solar emerge como uma alternativa promissora e ambientalmente sustentável para atender às demandas energéticas globais em constante crescimento. A abundância e a disponibilidade ilimitada da luz solar tornam-na uma fonte de energia praticamente inesgotável e amplamente distribuída, o que a coloca em posição privilegiada no cenário das energias renováveis. No entanto, apesar dos avanços significativos alcançados na tecnologia fotovoltaica ao longo das últimas décadas, a eficiência dos sistemas solares ainda representa um desafio substancial a ser enfrentado. Este é o ponto central de investigação deste artigo, que se propõe a explorar o futuro da energia solar, com um enfoque específico na superação das barreiras relacionadas à sua eficiência. Para alcançar esse objetivo, será conduzida uma revisão sistemática da literatura, combinada com uma análise minuciosa de dados quantitativos disponíveis online. A revisão da literatura permitirá uma compreensão aprofundada das tendências, avanços recentes e desafios enfrentados no campo da energia solar, fornecendo uma base sólida para a análise posterior. Paralelamente, a análise de dados quantitativos irá proporcionar uma visão objetiva e atualizada do desempenho dos sistemas de energia solar em diferentes contextos e condições. O cerne que motiva esta pesquisa reside na necessidade premente de aumentar a eficiência dos sistemas de energia solar, de modo a torná-los mais competitivos em comparação com as fontes de energia convencionais. Apesar dos significativos investimentos em pesquisa e desenvolvimento neste setor, persistem desafios consideráveis relacionados à eficiência de conversão, custos de instalação e armazenamento de energia, que continuam a representar obstáculos substanciais para a adoção em larga escala da energia solar. Portanto, este estudo se propõe a lançar luz sobre essas questões fundamentais, visando contribuir para o avanço do conhecimento científico e tecnológico no campo da energia solar e, consequentemente, para o desenvolvimento de soluções inovadoras e sustentáveis no âmbito energético global.
JUSTIFICATIVA
A relevância desta pesquisa é claramente evidenciada pela importância estratégica da energia solar como uma alternativa limpa e renovável para a matriz energética global. Compreender os desafios e oportunidades associados à eficiência da energia solar é crucial não apenas para a transição para uma economia mais sustentável, mas também para orientar políticas públicas eficazes, incentivar investimentos em inovação tecnológica e promover a adoção generalizada de práticas sustentáveis no setor energético. Ao abordar essas questões fundamentais, este estudo visa contribuir para o avanço do conhecimento e o desenvolvimento de soluções viáveis que possam impulsionar a transição para um futuro energético mais limpo e sustentável.
OBJETIVOS
1. Objetivo Geral:
Analisar criticamente o material existente sobre a eficiência das placas solares, visando compreender as barreiras que impedem seu avanço e identificar oportunidades para superá-las, contribuindo para o desenvolvimento futuro da energia solar.
2. Objetivos Específicos:
1. Verificar sobre os funcionamentos das placas
2. Verificar sobre as eficiências das placas solares
3. Avaliar sobre os efeitos da manutenção nas placas
4. Avaliar os avanços sobre as eficiências das placas solares
1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
1. 1 Funcionamento da placa solar
Efeito Fotovoltaico: O funcionamento das placas solares é fundamentado no efeito fotovoltaico, que é a capacidade de certos materiais, chamados semicondutores, de gerar uma corrente elétrica quando expostos à luz solar. Esse fenômeno ocorre devido à absorção de fótons de luz pelos átomos do material semicondutor, o que resulta na liberação de elétrons e na criação de lacunas de carga positiva.
Camadas Semicondutoras: As placas solares são compostas por várias células fotovoltaicas, que por sua vez são feitas de camadas de materiais semicondutores, como o silício. Geralmente, essas células possuem uma camada de silício dopado positivamente (tipo p) e outra camada dopada negativamente (tipo n), criando uma região de junção p-n.
Criação de Gradiente de Potencial: Quando a luz solar incide sobre a célula fotovoltaica, os fótons absorvidos fornecem energia suficiente para que os elétrons sejam excitados da banda de valência para a banda de condução do material semicondutor. Isso cria um gradiente de potencial elétrico na região de junção p-n, onde os elétrons excitados se movem em direção à camada n, enquanto as lacunas de carga positiva movem-se em direção à camada p.
Geração de Corrente Elétrica: O movimento dos elétrons e das lacunas de carga resulta na criação de uma corrente elétrica na célula fotovoltaica. Essa corrente pode ser coletada por fios condutores conectados à célula e utilizada para alimentar dispositivos elétricos ou armazenada em baterias para uso posterior.
Fluxo de Elétrons: A corrente elétrica gerada por uma única célula fotovoltaica é geralmente pequena. Portanto, várias células são agrupadas em série ou em paralelo para formar um módulo fotovoltaico, com o objetivo de aumentar a potência e a corrente elétrica produzida.
Eficiência e Fatores Ambientais: A eficiência de uma placa solar é influenciada por vários fatores, incluindo a intensidade da luz solar, a temperatura ambiente, a inclinação e orientação da placa, bem como a qualidade dos materiais semicondutores e do projeto da célula fotovoltaica. Portanto, as placas solares funcionam convertendo a energia luminosa do sol em eletricidade por meio do efeito fotovoltaico, oferecendo uma fonte de energia limpa, renovável e cada vez mais acessível.
1. 2 Eficiência da placa solar
O que é a eficiência da placa solar? Em essência, a eficiência de um painel solar refere-se à proporção de energia convertida em eletricidade por metro quadrado que o painel é capaz de produzir. Por exemplo, se um painel possui uma eficiência de 14%, isso significa que ele converte essa mesma porcentagem da energia solar incidente em sua superfície em eletricidade.
As placas solares instaladas/vendidas atualmente no Brasil possuem eficiência variável entre 10% e 16% na conversão de energia solar em energia elétrica. Os painéis solares feitos com silício cristalino são os mais usados no mundo e, hoje, representam 100% dos modelos importados/fabricados no Brasil. ( Portal Solar,2024)
Em 1954, cientistas americanos da Bell Laboratories criaram a primeira célula solar de Silício, mais eficiente que o Selênio, com 6% de conversão.(Solarium Brasil,2024)
A energia gerada pelos painéis solares depende de diversos fatores, como o tamanho do painel, sua eficiência e a quantidade de luz solar recebida. É preciso salientar que nem todos os raios de sol que atingem o painel solar podem ser convertidos em energia. Isso ocorre porque é preciso um comprimento de onda específico. Além disso, a luz deve ser absorvida, sendo que a luz solar que é apenas refletida no painel não poderá ser transformada em eletricidade. Dessa forma, os painéis solares contam com uma eficiência de absorção de menos de 20% de toda a luz solar recebida. Quanto maior for o período diário de pico de sol, maior será a energia convertida pelo painel. Ou seja, a capacidade do painel solar varia de acordo com as estações do ano por depender da duração dos dias. (Energia Total, 2022)
Estima-se que o acúmulo de sujeiras causa perda média de 4% na geração de energia em um ano, um número alto que pode ser evitado com cuidados básicos (Genyx power solar, 2020)
A eficiência da placa solar também é variada por modelo e fabricante, a figura 1 a seguir é uma tabela da eficiência da placa solar fabricada com a tecnologia cristalina.
Fonte: Solavista
1. 3 Manutenção nas placas solares
À medida que a energia solar continua a se estabelecer como uma fonte crucial de energia limpa e renovável em todo o mundo, a manutenção das placas solares emerge como um aspecto vital para garantir o desempenho sustentável desses sistemas. A eficiência e a durabilidade das placas solares são essenciais para a maximização do potencial energético desses sistemas ao longo do tempo. A manutenção das placas solares envolve uma série de medidas destinadas a preservar e otimizar o funcionamento desses dispositivos. Isso inclui inspeções visuais regulares para identificar possíveis problemas, como sujeira, detritos ou danos físicos nas placas. A remoção cuidadosa de qualquer sujeira ou detritos das superfícies das placas solares é fundamental para garantir a máxima absorção da luz solar e, portanto, a produção ideal de energia.
Além disso, a verificação periódica das conexões elétricas entre as placas solares, inversores e a rede elétrica é crucial para evitar perdas de energia ou falhas no sistema. O monitoramento contínuo do desempenho das placas solares por meio de sistemas de monitoramento ajuda a identificar e resolver quaisquer problemas que possam surgir, garantindo assim um funcionamento consistente e eficiente do sistema ao longo do tempo.
Embora a manutenção regular das placas solares seja fundamental, é igualmente importante realizar manutenções preventivas conforme necessário, como a substituição de componentes desgastados ou ajustes nas configurações do sistema. A contratação de profissionais qualificados para realizar inspeções detalhadas e manutenções preventivas periódicas também pode ajudar a garantir a eficiência e a longevidade do sistema fotovoltaico.
Em última análise, a manutenção adequada das placas solares desempenha um papel fundamental na maximização do retorno do investimento em energia solar e na promoção de um futuro mais sustentável e energeticamente eficiente. Ao garantir a eficiência e a durabilidade dos sistemas fotovoltaicos, podemos continuar a colher os benefícios da energia solar como uma fonte limpa e renovável de energia para as gerações futuras.
1.4 Avanço nas tecnologias
As células solares de perovskita (PSCs) têm atraído ampla atenção de pesquisas devido às suas excelentes propriedades fotoelétricas e fabricação de baixo custo. A eficiência de conversão de energia (PCE) dos PSCs aumentou para um valor impressionante de 25,7% após mais de dez anos de desenvolvimento (Liu, S., Biju, VP, Qi, Y. et al)
Com vários anos de desenvolvimento, os tandems de perovskita/Si alcançaram uma eficiência certificada de 29,5% para células tandem 2T e 28,2% para células tándem 4T, excedendo as células solares de junção única baseadas em perovskita e Si (Cheng E , Ding EU)
Nos últimos anos, houve significativos avanços na eficiência das placas solares, impulsionados por intensas pesquisas e desenvolvimentos tecnológicos. As células solares de perovskita têm emergido como uma das tecnologias mais promissoras, apresentando rápida evolução e alcançando eficiências cada vez maiores. Pesquisadores conseguiram aumentar consistentemente a eficiência das células solares de perovskita para além de 25%, rivalizando com as células solares de silício, que dominam o mercado.
Além disso, melhorias contínuas têm sido realizadas nas células solares de silício, o tipo mais comum e estabelecido no mercado. A pesquisa focada em novas técnicas de fabricação, materiais avançados e designs inovadores tem contribuído para aumentar a eficiência dessas células, tornando-as mais competitivas e acessíveis.
Outra área de avanço significativo é o desenvolvimento de células solares tandem, que combinam diferentes materiais para capturar uma gama mais ampla de comprimentos de onda da luz solar. Essas células, muitas vezes empilhadas em camadas, têm demonstrado eficiências impressionantes e prometem melhorar ainda mais à medida que a pesquisa continua.
METODOLOGIA
A pesquisa será realizada por meio de uma abordagem bibliográfica e documental, utilizando fontes acadêmicas, teses, artigos científicos, periódicos, livros e bancos de dados eletrônicos relevantes. Serão priorizadas fontes de alta credibilidade e atualidade sobre o tema do futuro da energia solar e as barreiras à eficiência das placas solares. A pesquisa será realizada em plataformas online de acesso a periódicos científicos, bases de dados especializadas, revistas e páginas online sobre o tema. A revisão bibliográfica será realizada por meio de uma detalhada pesquisa de literaturas existentes sobre o tema, buscando compreender as principais descobertas, teorias e práticas relacionadas à eficiência das placas solares e suas barreiras.
O processo de revisão bibliográfica incluirá a identificação, seleção e análise crítica de fontes relevantes, com ênfase em estudos científicos e técnicos recentes. Serão analisados documentos técnicos, relatórios de pesquisa, normas e regulamentos relacionados à eficiência das placas solares. Esta análise ajudará a compreender o contexto normativo e técnico que envolve a produção e utilização de placas solares, identificando possíveis fatores que impactam sua eficiência.
Os principais instrumentos utilizados na pesquisa serão computadores pessoais e acesso à internet para busca e análise de fontes bibliográficas e documentais. Não serão aplicados questionários ou entrevistas, uma vez que a pesquisa será baseada em análise de material já existente.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Neste segmento, abordaremos os principais resultados obtidos ao investigar o futuro da energia solar, com foco na superação das barreiras que limitam a eficiência das placas solares. Serão apresentadas análises e interpretações dos dados coletados, destacando a importância desses achados para o avanço da tecnologia fotovoltaica e a transição energética global.
A investigação das barreiras técnicas, econômicas e regulatórias revelou que a eficiência das placas solares ainda enfrenta desafios significativos. As perdas de conversão, degradação dos materiais e altos custos de produção emergiram como os principais obstáculos a serem superados.
Os dados coletados indicam que avanços significativos estão sendo feitos em várias frentes para superar as barreiras da eficiência da placa solar. Novos materiais, como perovskitas e filmes finos, estão demonstrando promessas consideráveis em aumentar a eficiência de conversão. Além disso, técnicas de design inovadoras e otimização de processos estão sendo implementadas para reduzir perdas e melhorar o desempenho geral dos sistemas fotovoltaicos.
A análise dos dados revelou que, apesar dos desafios atuais, a energia solar continua a se tornar cada vez mais competitiva em termos de custo em comparação com outras fontes de energia. A redução dos custos de produção e a melhoria da eficiência das placas solares estão impulsionando a adoção em larga escala da energia solar em todo o mundo. As perspectivas futuras apontam para uma trajetória de crescimento contínuo, com a energia solar desempenhando um papel central na transição para um sistema energético mais limpo e sustentável.
Os resultados obtidos nesta pesquisa corroboram descobertas anteriores sobre os desafios e oportunidades associados à eficiência da placa solar. A comparação com estudos anteriores ressalta a importância contínua da inovação e colaboração global na busca por soluções eficazes para os problemas energéticos enfrentados pelo mundo.
CONCLUSÃO
Com base nos dados analisados e discutidos, é evidente que o futuro da energia solar é promissor, mas requer esforços contínuos para superar as barreiras da eficiência da placa solar. Recomenda-se investir em pesquisa e desenvolvimento de novos materiais, tecnologias e políticas que possam acelerar a adoção e o avanço da energia solar como uma fonte de energia primária.
Esta discussão estruturada fornece uma análise abrangente do estado atual e futuro da energia solar, oferecendo insights valiosos para pesquisadores, profissionais da indústria e formuladores de políticas envolvidos na transição para um futuro energético mais sustentável e resiliente.
REFERÊNCIAS
ORIGEM DA ENERGIA SOLAR: UMA BREVE HISTÓRIA DO SOL COMO FONTE ENERGÉTICA DO MUNDO. Solarium Brasil, Disponível em: https://solariumbrasil.com.br/origem-da-energia-solar/. Acesso em: 15 de fevereiro de 2024
PERDA DE EFICIÊNCIA DO MÓDULO SOLAR. Genyx. Disponível em: https://genyx.com.br/eficiencia-do-modulo-solar/amp/. Acesso em: 10 de fevereiro de 2024. Liu, S., Biju, VP, Qi, Y. et al. Progresso recente no desenvolvimento de células solares de perovskita invertida de alta eficiência. NPG Ásia Mater 15 , 27 (2023).
Cheng E , Ding EU . Células solares tandem de perovskita/Si: Fundamentos, avanços, desafios e novas aplicações . SusMat . 2021 ; 1 : 324-344.
1Discentes do Curso Superior de engenharia elétrica da Faculdade metropolitana e-mail: valtercastro33@gmail.com,