Sistema Fotovoltaico Componentes e Mercado

Sistema Fotovoltaico Componentes e Mercado

Em países tropicais, como o Brasil, a utilização do Sistema Fotovoltaico como alternativa à energia elétrica convencional, cabeada, necessária para alimentação dos pontos de acesso é viável em praticamente todo o território nacional (PEREIRA et al., 2006).

Mesmo com a viabilização da produção de fotocélulas e sendo o este um país localizado em uma zona tropical, com alta incidência de radiação solar anual, a utilização de energia solar no país ainda representa menos de 2,8% de toda a matriz energética brasileira, enquanto que a conversão da energia hidráulica em elétrica é de 84%.

Sistema Fotovoltaico

Segundo (CRESESB, 1999), um sistema fotovoltaico pode ser classificado em três categorias distintas: sistemas isolados, híbridos e conectados à rede.

Existem vários termos e definições usados em relação à geração distribuída. Alguns países baseiam-se no nível de tensão para definí-la; outros analisam se a instalação e operação das unidades de geração de energia elétrica estão diretamente ligadas à rede de distribuição ou ao consumidor, não sendo considerada relevante a potência instalada nesta definição (ACKERMANN et al., 2001).

Células Fotovoltaicas

As células solares são as responsáveis pelo funcionamento de um sistema fotovoltaico, pois é nelas que se dá o efeito fotovoltaico, através do qual a radiação solar é convertida diretamente em energia elétrica. Neste processo, são utilizados materiais semicondutores como o silício, o arseneto de gálio, telureto de cádmio ou disseleneto de cobre e índio, ao qual são adicionados dopantes com o objetivo de se criar um meio adequado ao estabelecimento do efeito fotovoltaico (IST; DGS ; UE, 2004).

Por serem sólidos e terem uma boa estrutura atômica cristalina de condutividade elétrica intermediária, os materiais semicondutores são os mais adequados para este tipo de uso. Cerca de 95% de todas as células solares do mundo são de silício, elemento bastante abundante na Terra, mas que não existe como um elemento químico puro, e sim como uma ligação química em forma de dióxido de silício, encontrado na areia de sílica, por exemplo (IST; DGS ; UE, 2004).

Como o material utilizado nas células solares deve ser da maior pureza possível, é necessário separar o oxigênio não desejado do dióxido de silício. Dessa forma, a areia de sílica é aquecida e fundida junto com pó de carvão, criando-se assim o silício metalúrgico, com uma pureza de 98%. Entretanto, 2% de impurezas no silício para aplicações eletrônicas ainda é uma porcentagem muito expressiva, fazendo com que seja necessário purificar o silício em estado bruto através de vários processos químicos. Assim, é obtido o silício de alta qualidade, que poderá ser processado de diferentes modos, para a produção de células monocristalinas ou policristalinas (IST; DGS ; UE, 2004).

Camadas constituintes de uma placa solar de um sistema fotovoltaico
Camadas constituintes de uma placa solar

Uma das características dos materiais semicondutores é a existência de uma banda de valência totalmente preenchida por elétrons e uma banda de condução totalmente vazia. Quando os quatro elétrons de ligação dos átomos de silício se ligam aos seus vizinhos é formada uma rede cristalina. No entanto, quando são adicionados átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e conseqüentemente, devido à baixa energia térmica, este elétron se livra e vai para a banda de condução. Devido a esse fenômeno, o fósforo é considerado um dopante de elétrons, conhecido como dopante n ou impureza n (CRESESB, 2004). A seção transversal de uma célula fotovoltaica é ilustrada na figura a seguir.

Seção transversal de uma célula fotovoltaica de um sistema fotovoltaico
Seção transversal de uma célula fotovoltaica

Caso sejam introduzidos átomos com apenas três elétrons de ligação, como é o caso  do boro, haverá uma falta de elétrons para completar as ligações com os átomos de silício da rede. Este fenômeno é conhecido como buraco ou lacuna, e devido à pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição, deslocando o buraco. Desse modo, o boro é um aceitador de elétrons ou dopante p (CRESESB, 2004).

Efeito fotovoltaico na junção pn
Efeito fotovoltaico na junção pn

Desse modo, denomina-se junção pn quando átomos de boro são introduzidos em uma metade e fósforo na outra, fazendo com que os elétrons livres do lado n passem ao lado p onde encontram os buracos que os capturam. Conseqüentemente é gerado um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-o negativamente carregado, e uma redução de elétrons do lado n, tornando-o eletricamente positivo. Assim, é criado um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o lado p (CRESESB, 2004).

A diferença de potencial causada pelo deslocamento de cargas é denominada efeito fotovoltaico. Isto é, em uma região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas são aceleradas quando uma junção pn é exposta a fótons com energia maior que o gap (intervalo), provocando assim a geração de pares elétron-lacuna (CRESESB, 2004).

As células solares de silício cristalino sofrem várias perdas na transformação da energia solar em energia elétrica, conforme pode ser verificado no balanço energético representado na figura a seguir. Ao final do processo, em média 13% da energia irradiada pelo Sol são transformadas em eletricidade.

Balanço energético de uma célula solar cristalina
Balanço energético de uma célula solar cristalina

Sistema Fotovoltaico Comercialmente Disponível

As duas principais tecnologias utilizadas na produção de células fotovoltaicas destinadas a aplicações terrestres são as células de silício cristalino, na forma de finas fatias  de silício (Si), com espessura entre 0,18 e 0,25 mm e as células de filmes finos, que consiste na deposição de películas de diferentes materiais sobre uma base ou substrato (RÜTHER, 2004, apud LAMBERTS et al., 2010, p. 49). Posteriormente surgiram as células solares sensibilizadas por corante (CSSC) e as células híbridas (HIT) (IST; DGS; UE, 2004).

A Figura seguinte representa os tipos de células comercialmente disponíveis divididas em grupos.

Tipos de células fotovoltaicas comercialmente disponíveis
Tipos de células fotovoltaicas comercialmente disponíveis

Dentre as tecnologias existentes mostradas no fluxograma acima, as baseadas em silício cristalino são as predominantes no mercado, devido a sua alta eficiência – cerca de 11 a 16% em média. O silício cristalino é a mais tradicional das tecnologias fotovoltaicas e a que apresenta maior escala de produção a nível comercial (86%) da produção mundial e os 14% restantes estão divididos pelos diferentes tipos de filmes finos (EPIA, 2012).

No caso das células de filmes finos, apenas uma fina camada do material fotovoltaico é depositada sobre substratos de baixo custo, como vidro, aço inox e alguns plásticos, o que possibilita o desenvolvimento de módulos flexíveis, leves, semitransparentes e com superfícies curvas, facilitando assim a integração com o envelope de uma edificação (RÜTHER, 2004).

Além do silício, outros elementos como telureto de cádmio (CdTe) e os compostos relacionados ao disseleneto de cobre, gálio e índio (CuInSe2 ou CIS e Cu(InGa)Se2 ou CIGS) também são utilizados na produção de células solares. No entanto, alguns elementos deste grupo são altamente tóxicos, como o (Cd, Se, Te), ou muito raros (Te, Se, Ga, In,Cd), ou ambos, o que inicialmente se mostrou um obstáculo considerável ao uso mais intensivo destas tecnologias (RÜTHER, 2004).

Dentre as tecnologias mais recentes encontradas no mercado estão as células híbridas (HIT – Heterojunção com uma camada fina intrínseca). Neste caso, o silício cristalino e o silício amorfo são associados a uma película fina adicional não contaminada (camada fina intrínseca). Uma pastilha monocristalina forma o núcleo da célula HIT e é revestida em ambos os lados por uma camada fina de silício amorfo (a-Si). A eficiência destas células é de aproximadamente 17% (IST; DGS e UE, 2004).

As células sensibilizadas por corante (CSSC), foram introduzidas pelo pesquisador suíço Michael Grätzel em 1991. O material básico deste tipo de célula é o semicondutor de dióxido de titânio (TiO2) combinado a um corante orgânico. Uma das vantagens desta tecnologia é que os materiais utilizados não são tóxicos e a sua produção é econômica. No entanto, sua eficiência ainda é muito baixa, mas as células nanocristalinas sensibilizadas por corantes são mais tolerantes aos ineficazes ângulos de incidência da luz solar, aos sombreamentos, além de terem sua eficiência melhorada com o aumento de temperatura (IST; DGS ; UE, 2004).

Sendo assim, por serem várias as tecnologias disponíveis, é preciso analisar qual delas é a mais adequada para atingir o objetivo do projeto. Caso o problema seja a área disponível para a instalação dos módulos, recomenda-se optar por uma tecnologia mais eficiente e muitas vezes com custos mais elevados. Agora se o problema for o custo, é recomendável utilizar uma tecnologia menos eficiente, que demandará uma maior quantidade de módulos, mas que por outro lado poderá ter seu custo final minimizado devido ao material utilizado.

Mercado do Sistema Fotovoltaico

A energia solar fotovoltaica vem apresentando um efetivo crescimento em diversos países nos últimos anos, em parte devido à implantação e intensificação de programas governamentais, que estimulam o desenvolvimento tecnológico e industrial para um melhor aproveitamento deste tipo de energia.

Dentre as diversas ações, em 1974 foi fundada a Agência Internacional de Energia (IEA), um órgão autônomo, no âmbito da OECD que realiza um amplo programa de cooperação energética entre seus 26 países membros, com a participação da Comissão Européia. Em 1993 foi criado o “Programa de Sistemas de Energia Fotovoltaica” (IEA PVPS), com a missão de aumentar os esforços de colaboração internacional, de forma a acelerar o desenvolvimento e a implantação da energia solar fotovoltaica como uma opção de energia renovável significativa e sustentável (IEA, 2010).

Como parte do trabalho do Programa IEA PVPS, pesquisas anuais de aplicações fotovoltaicas e análise de mercado são realizadas entre os países membros, e relatórios anuais são gerados, de modo a auxiliar os responsáveis pelo desenvolvimento estratégico das empresas e autoridades públicas para a formatação de planos de médio prazo em empresas de eletricidade e outros prestadores de serviços na área de energia, bem como para a preparação de planos nacionais de energia (IEA, 2010).

Custo dos Módulos para Sistema Fotovoltaico

A tecnologia solar fotovoltaica tem provado nos últimos anos que, com um quadro regulamentar adequado para cada país pode ser uma importante aliada no objetivo da União Européia de atingir a meta de 20% de fontes renováveis de energia até 2020.

Os avanços tecnológicos e de economias de escala têm estimulado uma constante redução dos custos, que continuará nos próximos anos, aumentando a competitividade da indústria fotovoltaica em relação às fontes de energia convencionais. O custo de geração refere-se ao preço de uma única unidade de eletricidade, normalmente expressa em kWh e considera todos os custos de investimento e operacionais sobre a vida útil do sistema.

As Figuras a seguir ilustram um declínio notável dos preços: ao longo dos últimos 20 anos, a tecnologia fotovoltaica mostrou reduções de preços impressionantes, com o valor dos módulos decrescentes por mais de 20% cada vez que o volume acumulado de vendas dobrou. Este fenômeno é conhecido como fator de aprendizagem. O preço médio de um módulo fotovoltaico na Europa, em julho de 2011, atingiu cerca de 1,2 €/W, isto é cerca de 70% menor do que 10 anos atrás (EPIA, 2012). No Brasil, considerando os menores preços dos módulos, o valor médio seria de R$ 6,30/W, o que equivaleria a 2,5 €/W, ou seja, mais que o dobro do preço médio registrado na Europa.

Evolução do preço médio do módulo fotovoltaico na Europa
Evolução do preço médio do módulo fotovoltaico na Europa
Curva de experiência do preço do módulo FV (US$ / Wp & MW) em um sistema fotovoltaico
Curva de experiência do preço do módulo FV (US$ / Wp & MW)

Custo dos Inversores para Sistema Fotovoltaico

A Figura a seguir ilustra o preço unitário de inversores em função da potência nominal, expresso em US$/Wp. Para potências nominais superiores a 7.000 Wp, o preço unitário de inversores se estabiliza em cerca de US$ 0,50/Wp, mas alcança cerca de US$ 1,55 /Wp na faixa de potência de 1.000 Wp. Para potências de 100 KWp, o preço unitário é de aproximadamente US$ 0,50/Wp, reduzindo-se a US$ 0,40/Wp para potências de 300 KWp e para US$ 0,30 /Wp para potências de 500 KWp (MME, 2012).

Preço unitário de inversores de sistema fotovoltaico
Preço unitário de inversores

Custo Total de um Sistema Fotovoltaico no Mundo

O preço do conjunto de geração fotovoltaica tem sofrido uma redução acentuada, principalmente devido ao declínio nos preços dos painéis. De acordo com a German Solar Industry Association – BSW, o preço de sistemas fotovoltaicos de até 100 KWp na  Alemanha, instalados em telhados, reduziu-se em agosto de 2011, a € 2,2/Wp, excluídos impostos. Outras fontes sugerem preços praticados na Alemanha ainda menores, de € 1,60/Wp para instalações de grande porte e de € 1,90/Wp para instalações residenciais, em setembro de 2011, conforme ilustrado na Figura abaixo (MME, 2012).

Evolução recente do preço de sistemas fotovoltaicos
Evolução recente do preço de sistemas fotovoltaicos

Na Alemanha, Espanha, Itália e nos Estados Unidos a instalação em telhados vem sendo cada vez mais utilizada, sendo que a potência típica instalada nas edificações da Europa para um sistema fotovoltaico é de 3 KWp no setor residencial, 100 KWp no setor comercial e 500 KWp no setor industrial (MME, 2012).

Segundo a Solar Energy Industries Association – SEIA, o preço médio de sistemas fotovoltaicos não residenciais instalados nos Estados Unidos alcançou US$ 4,94/Wp no terceiro trimestre de 2011. Em escala de MW, o preço médio reduziu-se a US$ 3,45/Wp em setembro de 2011. E o preço final “turn key” de sistemas residenciais alcançou US$ 6,24/Wp, aproximadamente 25% superior aos sistemas comerciais e 80% superior ao das instalações de grande porte (MME, 2012).

Estimativa de Custo de um Sistema Fotovoltaico no Brasil

Para a internalização no Brasil de todos os custos envolvidos na instalação de um sistema fotovoltaico é preciso considerar a incidência de impostos (imposto de importação, IPI, ICMS, PIS, COFINS). Segundo informações do Grupo Setorial Fotovoltaico da Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica – ABINEE, mostradas na Figura abaixo, constata-se que esse sobrecusto estaria entre 30% e 35%, percentual que incidiria sobre os valores de referência internacionais. Assim, para a instalação de 100 KWp, o custo do investimento  seria de R$ 6,31/Wp, desconsiderados impostos, elevando-se para R$ 8,36/Wp ao ser considerada a carga tributária, acarretando em um aumento de 32,5%. Descontados os impostos nos locais de origem, a internalização no Brasil dos custos de investimento em sistemas fotovoltaicos importaria na elevação em cerca de 25% aos valores de referência internacional (MME, 2012).

Preço unitário de sistemas completos (exceto montagem)
Preço unitário de sistemas completos (exceto montagem)

Legislação para Instalação de Sistema Fotovoltaico

No final de 2008, duas importantes iniciativas foram tomadas pelo governo federal, permitindo uma maior discussão sobre a energia solar fotovoltaica no país. Foi criado, no âmbito do Ministério de Minas e Energia (MME) o GT – GDSF (Grupo de Trabalho de Geração Distribuída com Sistemas Fotovoltaicos) através da Portaria n° 36/2008, com a finalidade de elaborar estudos, propor condições e sugerir critérios destinados à elaboração de uma proposta de política de utilização da energia solar fotovoltaica conectada à rede, especialmente em edificações urbanas (JANNUZZI, 2009).

A outra iniciativa partiu do Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT), que encomendou um estudo ao Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (CGEE), cujo objetivo era traçar recomendações para a formulação e implantação de políticas que incentivassem a inovação tecnológica e a participação industrial do Brasil na produção de silício de grau solar e de energia solar fotovoltaica, no horizonte de 2010-2025 (JANNUZZI, 2009).

Os estudos do GT-GDSF apontaram que um programa de incentivo a telhados fotovoltaicos através de uma tarifa-prêmio se mostrava o mais apropriado para as condições do Brasil. Para o país este programa de incentivo deveria ser limitado em período e porte (potência total instalada com auxílio do incentivo), com custo e impacto tarifário definidos. Este programa deveria ser grande o suficiente para estimular o mercado fotovoltaico e pequeno o suficiente para não prejudicar a modicidade tarifária, incentivando a criação de uma indústria nacional (MME, 2009).

Recentemente, em 17 de abril de 2012, a ANEEL aprovou a Resolução Normativa nº 482, que estabelece as condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica, além de outras providências necessárias (ANEEL, 2012).

No Capítulo I – Das Disposições Preliminares, tem-se que:

[…] Art. 2o Para efeitos desta Resolução, ficam adotadas as seguintes definições:

I – microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 100 kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras;

II – minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 100 kW e menor ou igual a 1 MW para fontes com base em energia hidráulica, solar, eólica, biomassa ou cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras;

III – sistema de compensação de energia elétrica: sistema no qual a energia ativa gerada por unidade consumidora com microgeração distribuída ou minigeração distribuída compense o consumo de energia elétrica ativa.

O sistema de compensação não prevê a venda de energia por parte do consumidor, mas sim o armazenamento de créditos energéticos por um período de até 36 meses após a data do faturamento, não fazendo jus o consumidor a qualquer forma de compensação após o seu vencimento. Ou seja, o foco da regulamentação não é a criação de micro usinas de venda de energia elétrica, mas sim a possibilidade do consumidor ser também gerador da própria energia.

No faturamento da unidade consumidora integrante do sistema de compensação de energia elétrica, deverá ser cobrado, no mínimo, o valor referente ao custo de disponibilidade para o consumidor do grupo B, ou da demanda contratada para o consumidor do grupo A 14.

Além disso, no Art. 7º do Capítulo III – Do Sistema de Compensação de Energia Elétrica, deverão ser observados os seguintes procedimentos:

[…] II – o consumo a ser faturado, referente à energia elétrica ativa, é a diferença entre a energia consumida e a injetada, por posto horário, quando for o caso, devendo a distribuidora utilizar o excedente que não tenha sido compensado no ciclo de faturamento corrente para abater o consumo medido em meses subsequentes.

III – caso a energia ativa injetada em um determinado posto horário seja superior à energia ativa consumida, a diferença deverá ser utilizada, preferencialmente, para compensação em outros postos horários dentro do mesmo ciclo de faturamento, devendo, ainda, ser observada a relação entre os valores das tarifas de energia, se houver.

A Resolução prevê ainda que caso a energia ativa injetada não tenha sido compensada na própria unidade consumidora, poderá ser utilizada para compensar o consumo de outras unidades previamente cadastradas e atendidas pela mesma distribuidora, desde que o titular seja o mesmo da unidade geradora.

Os custos referentes à adequação do sistema de medição, necessário para implantar o sistema de compensação de energia elétrica, são de responsabilidade do interessado.

Esta Resolução é de suma importância para o setor residencial, pois pode resolver o problema da não coincidência temporal entre geração e consumo, já que os sistemas fotovoltaicos geram energia elétrica durante as horas de sol e o maior consumo da classe residencial é registrado à noite.

Normas Técnicas para Sistema Fotovoltaico

A ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, órgão responsável pela normalização no país, através da Comissão de Estudos de Sistemas de Conversão Fotovoltaica de Energia Solar, já desenvolveu algumas normas técnicas relativas à tecnologia fotovoltaica, que estão em vigor desde 1991.

Dentre as diversas normas, destacam-se a (i) NBR 11877:1991 – Sistemas Fotovoltaicos – Especificação, que fixa os requisitos de projeto exigíveis e os critérios para aceitação de sistemas terrestres de conversão fotovoltaica de energia, que encontra-se em processo de revisão; (ii) NBR 10899:2006 – Energia Solar Fotovoltaica – Terminologia, que define os termos técnicos relativos à conversão fotovoltaica de energia radiante solar em energia elétrica; a (iii) NBR 11704:2008 – Sistemas Fotovoltaicos – Classificação, que classifica os sistemas de conversão fotovoltaica de energia solar em energia elétrica; a (iv) NBR 11876:2010 – Módulos Fotovoltaicos – Especificação, que especifica os requisitos exigíveis e os critérios para aceitação de módulos fotovoltaicos para uso terrestre, de construção plana e sem concentradores, que utilizem dispositivos fotovoltaicos como componentes ativos para converter diretamente a energia radiante em elétrica; e a (v) NBR IEC 62116:2012 – Procedimento de ensaio de anti-ilhamento para inversores de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica, que estabelece um procedimento de ensaio para avaliar o desempenho das medidas de prevenção de ilhamento utilizadas em sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica (SFCR) (ABNT 2006, 2008, 2010).

Regulamento de Avaliação de Conformidade – INMETRO

Em 10 de novembro de 2008, através da Portaria no396, o INMETRO – Instituto Brasileiro de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial publicou o Regulamento de Avaliação da Conformidade para Sistemas e Equipamentos para Energia Fotovoltaica. O objetivo deste regulamento foi estabelecer os critérios para o programa de avaliação, através do mecanismo da etiquetagem de módulos fotovoltaicos, controladores de carga, inversores e baterias, visando à eficiência energética e o adequado nível de segurança dos produtos.

Os procedimentos para ensaios dos módulos fotovoltaicos de silício cristalino (mono- Si ou multi-Si) e filmes finos são feitos em uma amostra de 7 módulos fotovoltaicos do mesmo modelo e com as mesmas características, seguindo a seguinte sequência: inspeção visual; desempenho das condições padrão de teste; isolamento elétrico; resistência a ponto quente; ciclo térmico; umidade e congelamento; robustez dos conectores; torção; ciclo térmico; estanqueidade; resistência mecânica e névoa salina.

A Classe de eficiência energética para Módulos fotovoltaicos de silício cristalino (mono-Si ou multi-Si) e Filmes Finos é determinada de acordo com a Tabela abaixo.

Tabela 1 – Tabela de Classificação dos Módulos Fotovoltaicos de silício cristalino e filmes finos de acordo com sua eficiência energética

CLASSES (Mono-Si e Multi-Si) FILMES FINOS
A EE > 13,5 EE > 9,5
B 13,5 ≥ EE > 13,0 9,5 ≥ EE > 7,5
C 13,0 ≥ EE > 12,0 7,5 ≥ EE > 6,5
D 12,0 ≥ EE > 11,0 6,5 ≥ EE > 5,5
E EE < 11,00 EE < 5,5

Fonte: (INMETRO, 2012)

A etiqueta nacional de conservação de energia, conforme Figura 37, deve ser afixada no próprio produto (parte frontal, exceto para produtos onde essa exigência seja impraticável) de forma que seja totalmente visível ao consumidor. Nas instalações, a etiqueta deve ser aplicada no fundo dos módulos fotovoltaicos de silício cristalino (mono-Si ou multi-Si) (INNMETRO, 2008).

Modelo de Etiqueta para Módulos Fotovoltaicos
Modelo de Etiqueta para Módulos Fotovoltaicos

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