Principais tecnologias fotovoltaicas
CÉLULAS FOTOVOLTAICAS DE SILÍCIO CRISTALINO (c-Si)
As células fotovoltaicas tradicionais são feitas de silício, normalmente chatas, e geralmente as mais eficientes para o uso comercial em massa. Esta é a tecnologia mais utilizada hoje no mundo, sendo dividida em dois grupos principais: células fotovoltaicas de silício monocristalinas e multicristalinas.
As células monocristalinas têm uma estrutura de cristal homogênea e seu processo produtivo é mais caro do que o processo produtivo das células multicristalinas, porém têm maior eficiência de conversão de energia. As células multicristalinas com estruturas de cristal não homogêneas utilizam menos energia em seu processo produtivo e consequentemente são mais baratas.
CÉLULAS DE FILMES FINOS
Células de filme fino são geralmente divididas em três principais grupos: amorfas (a-Si e μ-Si), telureto de cádmio (CdTe) e cobre, índio e gálio seleneto (CIGS/CIS). As células fotovoltaicas de filme fino utilizam camadas de materiais semicondutores extremamente finas. Uma vantagem desta tecnologia é que ela pode ser utilizada em substratos rígidos ou flexíveis, o que possibilita que seja utilizada também em superfícies e aplicações diversas.
O filme fino é geralmente menos eficiente na conversão de luz do sol para eletricidade hoje, logo, módulos fotovoltaicos cristalinos utilizam menos espaço do que módulos de filme fino para produzir a mesma quantidade de eletricidade. Células mono e multicristalinas no mercado hoje têm uma eficiência de conversão média global entre 12,0% e 25,6%. Algumas tecnologias de filme fino podem ter a metade dessa eficiência. No entanto, a tecnologia de filme fino tem avançado rapidamente, atingindo eficiência máxima de 21,0%.
Bens da Cadeia de Valor da Energia Solar Fotovoltaica: Módulos Fotovoltaicos
Os módulos fotovoltaicos a partir de células fotovoltaicas de silício cristalino são produzidos com a utilização dos seguintes materiais e componentes:
SILÍCIO METALÚRGICO E SILÍCIO GRAU SOLAR
Silício é o oitavo elemento mais comum no universo em termos de massa, mas muito raramente ocorre como elemento puro na natureza. Está presente em poeiras, areias e em planetas (no universo), em várias formas de “silicatos”. Mais de 90% da crosta terrestre é composta por minerais silicatos, fazendo do silício o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (28% da massa daTerra), somente atrás do oxigênio.
Para a produção do silício metalúrgico (Silício GM ou Si-GM), também denominado silício metálico, é realizada a redução do dióxido de silício (SiO2), presente nos silicatos, a altas temperaturas, que podem ser superiores a 1.900°C. A redução química pode ser definida como a diminuição da carga formal de uma determinada espécie química por consequência da transferência de elétrons oriundos de outra espécie química, conhecida como agente redutor. No caso da obtenção do silício metalúrgico, os agentes redutores são substâncias formadas por moléculas de carbono, como coque, semicoque ou coque de petróleo (Serodio, 2009). Alguns dos principais produtores de silício grau metalúrgico no mundo são: Elkem (Noruega), JFE Steel (Japão), Mississippi Silicon (Estados Unidos), Renewable Energy Corporation (REC) (Singapura, Estados Unidos, Suíça e Noruega) e SunEdison (Estados Unidos).
Após o processo de redução, o silício metalúrgico em estado líquido se acumula no fundo do forno, podendo assim ser extraído, resfriado e refinado. Com um grau de pureza de até 99,5%, ele é utilizado como elemento de liga para outros metais, matéria-prima para a indústria química em geral e também para indústria de semicondutores e células fotovoltaicas. Alguns dos principais produtores de silício grau solar do mundo incluem: Elkem (Noruega), GCL (China), Hemlock (Estados Unidos), LDK Solar (China), REC (Singapura, Estados Unidos, Suíça e Noruega) e Wacker Chemie (Alemanha).
LINGOTE E LÂMINA DE SILÍCIO
Um lingote é o material que é puxado (monocristalino) ou fundido (multicristalino) no formato propício para processamento. O silício líquido de grau solar é aquecido após seu ponto de fusão de 1.401ºC e puxado em uma barra ou fundido em um bloco utilizando um método de resfriamento. O objetivo é obter uma estrutura mais coerente e homogênea, livre de certos elementos e impurezas que reduzem o efeito fotovoltaico da célula.
Os lingotes podem então ser processados novamente em blocos e cortados em lâminas de silício bem finos. Alguns dos maiores produtores de lingotes e lâminas de silício no mundo são: Elkem (Noruega), GCL (China), Hemlock (Estados Unidos), Jinglong (China), LDK Solar (China), ReneSola (China) e Yingli (China).
GASES DE PROCESSAMENTO DE CÉLULAS
Os gases de processamento de células são aqueles utilizados para produção de silano e destilação do mesmo, e também para a transformação da lâmina de silício em célula fotovoltaica.
CÉLULA FOTOVOLTAICA
Uma célula solar fotovoltaica é um dispositivo semicondutor que converte a energia do sol diretamente em eletricidade, pelo efeito fotovoltaico.
Dependendo da tecnologia utilizada, lâminas de silício são processadas em 15 a 20 passos de tratamentos químicos até chegar a uma célula fotovoltaica. Alguns dos maiores produtores de células fotovoltaicas no mundo são: Astronergy (China), Canadian Solar (Canadá/China), REC (Singapura, Estados Unidos, Suíça e Noruega), Suntech Solar (China, África do Sul, Alemanha, Austrália, Inglaterra e Japão), Trina Solar (China, Estados Unidos, Itália e Singapura) e Yingli (China).
ALUMÍNIO
O alumínio tem função estruturante para o módulo fotovoltaico, sendo o material mais utilizado para a confecção da moldura. O alumínio se destaca pelo fato de ser leve e ainda assim ter resistência mecânica e corrosiva, que são essenciais em uma estrutura que fica exposta ao ambiente. Além disso, o alumínio é um dos materiais que podem ser reciclados ao fim da vida produtiva de um módulo fotovoltaico (Associação Brasileira do Alumínio, 2007). Alguns dos maiores produtores de alumínio no mundo são: Alcoa (Estados Unidos), Chalco (China), Hongqiao (China), Rio Tinto (Inglaterra) e UC Rusal (Rússia) (Statista, 2016).
MOLDURA
A moldura é responsável pelo enquadramento do módulo fotovoltaico, garantindo assim a robustez e a integridade deste. Os materiais utilizados na confecção das molduras podem ser de aço ou alumínio, além disso, silicones, colas e adesivos também são necessários para garantir a vedação e fixação. Alguns dos maiores produtores de molduras fotovoltaicas são: Hydro Aluminum (Noruega), Sunrise Power (China), Press Metal International Technology (China).
VIDRO ESPECIAL
O vidro especial para módulo fotovoltaico tem como característica principal proteger as células fotovoltaicas de agressores externos. Ele é temperado e possui uma espessura que varia de 3,2 milímetros (mm) a 4,0 mm. Entretanto, para a elaboração de um módulo fotovoltaico é necessário que, além de características resistivas, o vidro apresente elevada absorção de luz.
Para isso, utilizam- se vidros puros, com baixíssimo teor de ferro, e revestidos por uma substância antirreflexiva, que permite a absorção. Alguns dos maiores fornecedores desse componente são: DSM Advanced Surfaces (Holanda), Pilkington Group (Inglaterra) e Xinyi Glass (China).
SILICONE DE VEDAÇÃO
O silicone de vedação tem como finalidade a proteção física e química do módulo fotovoltaico. Ele é comumente aplicado entre o vidro especial e a moldura, já que este pode ser um ponto de infiltração de água entre outras substâncias. Alguns dos maiores produtores de silicone de vedação do mundo são: ACC Silicones (Estados Unidos), Dow Corning (Estados Unidos) e Wacker Chemie (Alemanha).
FILME EMCAPSULANTE
O filme encapsulante é composto por materiais, como silicone, ou também por etileno acetato de vinila do inglês para Ethylene Vinyl Acetat (EVA), um material que é selante de cura rápida. Sua principal função é proteger as células fotovoltaicas contra o envelhecimento causado por raios ultravioleta, temperaturas extremas e umidade, além de assegurar que o máximo de luz visível atinja as células solares.
Alguns dos maiores produtores deste componente no mundo incluem: 3M Renewable Energy (Estados Unidos), Bridgestone (Japão) e LG Chem (Coreia do Sul).
BACKSHEET
O backsheet tem a função de isolante elétrico, sendo responsável pela proteção dos componentes internos, mais precisamente das células fotovoltaicas. São
fabricados de materiais poliméricos. Alguns dos maiores produtores desse material são: 3M Renewable Energy (Estados Unidos) e LG Chem (Coreia do Sul). É possível substituir essa camada por uma camada de vidro fotovoltaico, no caso de módulos vidro-vidro.
CAIXA DE JUNÇÃO
A caixa de junção é responsável pela proteção elétrica do módulo fotovoltaico
e apresenta cabos especiais, que são específicos para interconexão dos módulos instalados em um telhado. Outros componentes essenciais da caixa de junção são os materiais poliméricos. A caixa de junção está localizada atrás do módulo onde as células fotovoltaicas estão interconectadas eletricamente em série. Alguns dos maiores produtores mundiais de caixas de junção são: Jinko Solar (China), Mitsubishi Electric (Japão), SolarEdge Technologies (Israel) e Zhejiang Forsol Energy (China).
MÓDULO FOTOVOLTAICO
Devido à baixa tensão de uma célula fotovoltaica individual, tipicamente 0,5 Volt (V), as células são conectadas em série. Diversas linhas com aproximadamente 60 células são então laminadas a vácuo em um laminador solar e uma caixa de junção é adicionada para a conexão elétrica. Os módulos solares podem ser laminados em várias combinações de vidro-vidro ou vidro com outros metais
ou plásticos para aumentar sua eficiência. Os módulos podem ir de 1 Watt (W) até mais de 400 W de potência, fazendo da tecnologia fotovoltaica uma tecnologia realmente escalável e modular.
A Bloomberg New Energy Finance (BNEF) classifica os produtores mundiais de módulos fotovoltaicos em 3 classes. A classe 1 (Tier 1) representa os principais fabricantes do mercado mundial, e a metodologia de classificação inclui: fabricantes que fornecem módulos de marca própria e fabricados
por eles mesmos, para pelo menos cinco projetos, financiados sem garantia dos acionistas (garantia baseada em ativos do projeto) por pelo menos cinco diferentes bancos nos últimos dois anos. Os top 10 fabricantes classificados como classe 1 em 2016 pela Bloomberg são:
Além desses materiais, que podem ser comuns aos módulos fotovoltaicos cristalinos, ainda há materiais que são específicos para os módulos de filme fino, e que serão discutidos nas seções de filmes finos.
FILMES FINOS
A célula fotovoltaica de filme fino tem como principal característica a sua espessura, que está na faixa de 1 micrômetro (μm), sendo até 400 vezes mais fina que uma célula de silício cristalino. Essa tecnologia tem como principal objetivo reduzir os custos dos módulos fotovoltaicos, visto que utiliza uma quantidade de energia menor para a sua produção em comparação ao método tradicional. Alguns dos maiores produtores de células de filmes finos são: First Solar (Estados Unidos e Malásia), Global Solar Energy (Estados Unidos), Onyx Solar (Espanha), Sharp (Japão) e Suntech Solar (China).
SUBSTRATO DE FILME FINO
O substrato de filme fino é a superfície onde se aplica as finas camadas de compostos fotovoltaicos que darão origem à célula de filme fino. Os substratos são compostos basicamente por vidros e polímeros.
COMPOSTOS DE FILME FINO
Os compostos de filme fino são as substâncias responsáveis pelo efeito fotovoltaico. Devido à sua estrutura, as células fotovoltaicas de filmes finos podem utilizar uma gama maior de substâncias para a sua confecção. Dentre esses produtos, pode-se destacar: telureto de cádmio em pó, cloreto de cobre 1, cloreto de cádmio, sulfeto de germânio, seleneto de cádmio em pó, silício amorfo, cobre, índio, selênio e células solares fotovoltaicas orgânicas.
Bens da cadeia de valor da energia solar fotovoltaica: outros componentes e equipamentos do sistema fotovoltaico
Outros componentes e equipamentos de um sistema fotovoltaico, além dos módulos, incluem:
STRING BOX
A string box é conectada ao inversor de frequência e ao quadro de proteção da rede elétrica. Quando conectado ao lado da corrente contínua, do inglês Direct Current (DC), ele protege a instalação e os módulos fotovoltaicos contra descargas elétricas. Quando os dispositivos de segurança estão presentes na conexão com o lado da corrente alternada, do inglês Alternating Current (AC), ele realiza a proteção da instalação contra descargas atmosféricas.
Importantes fabricantes mundiais de string box incluem: Asea Brown Boveri (ABB) (Suíça, Brasil e Portugal), Mersen (França), WEG (Brasil, Argentina, México, Estados Unidos, Áustria, Portugal, África do Sul, China, Alemanha e Índia), Schneider Electric (França) e SMA Solar (Alemanha).
Fonte: Sebrae
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