O documento discute células fotovoltaicas, incluindo sua história, tipos, funcionamento, preços e aplicações. As células fotovoltaicas convertem a luz solar diretamente em eletricidade e têm sido usadas em aplicações espaciais e terrestres. Os principais tipos são de silício cristalino e filme fino, e os preços têm caído consideravelmente nas últimas décadas tornando a energia solar mais acessível.
2. 1Célula Fotovoltaica
Índice:
Introdução......................................................................................................................................2
Objectivos ..................................................................................................................................2
Metodologia...............................................................................................................................2
ENERGIA SOLAR...........................................................................................................................3
ENERGIA SUSTENTÁVEL............................................................................................................3
ENERGIA RENOVÁVEL ................................................................................................................3
As principais fontes de energia renovável...............................................................................3
ENERGIA ALTERNATIVA.............................................................................................................4
DIFERENÇA ENTRE ENERGIA ALTERNATIVA E ENERGIA RENOVÁVEL.......................4
CÉLULAS FOTOVOLTAICAS .......................................................................................................5
A HISTÓRIA DA CÉLULA FOTOVOLTAICA...............................................................................5
As Células Fotovoltaicas nas Missões Espaciais ..............................................................5
OS PRINCIPAIS TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS .......................................................6
FUNCIONAMENTO DE UMA CÉLULA FOTOVOLTAICA.........................................................8
O PREÇO DA CÉLULA FOTOVOLTAICA....................................................................................8
O CUSTO DE APLICAÇÃO DAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ...............................................9
Preço da Energia Solar Fotovoltaica Residencial:..............................................................9
Preço da Energia Solar Fotovoltaica para Comércios e Indústrias: ...............................9
Preço de Usinas de Energia Solar Fotovoltaica..................................................................9
IMPACTO AMBIENTAL DA CÉLULA FOTOVOLTAICA ........................................................ 10
BENEFÍCIOS DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ........................................................... 10
APLICAÇÃO DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ....................................................................... 10
Painel de vidro fotovoltaico................................................................................................. 10
Célula fotovoltaica transparente ........................................................................................ 11
CÉLULAS FOTOVOLTAICAS INTEGRADAS EM EDIFÍCIOS................................................ 12
Módulos Transparentes....................................................................................................... 12
EXEMPLOS DE EDIFÍCIOS COM INTEGRAÇÃO DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS.......... 13
Curiosidades sobre energia solar....................................................................................... 17
Conclusão ................................................................................................................................... 18
Bibliografia.................................................................................................................................. 19
3. 2Célula Fotovoltaica
Introdução
Desde o surgimento das primeiras células solares fotovoltaicas, de elevado custo e uti-
lizadas na geração de energia elétrica para os satélites que orbitam nosso planeta, as
tecnologias de produção evoluíram a tal ponto que se tornou economicamente viável
em muitos casos a sua utilização em aplicações terrestres.
O presente trabalho da cadeira de Conservação e Restauro do Património Construído
aborda sobre um novo material contemporâneo que está atualmente a ser incorporado
para o ramo da construção. Este novo material é designado de célula fotovoltaica, um
material sustentável que é usado nos edifícios pelo facto de ser uma resposta ao con-
sumo excessivo de energia em edifícios.
Neste documento aborda sobre a génese do material, suas características, seus pro-
cessos de produção, seus tipos, seus benefícios e suas aplicações em edifícios moder-
nos.
Objectivos
Dar a conhecer sobre o material sobre material aos estudantes de arquitectura,
profissionais de arquitectura e aos demais.
Consciencializar aos arquitectos sobre os benefícios da célula fotovoltaica.
Metodologia
A metodologia usada para a realização deste trabalho foram: pesquisas na Internet so-
bre o tema e, pesquisas de catálogos de empresas.
4. 3Célula Fotovoltaica
ENERGIA SOLAR
Energia solar é a energia proveniente da luz e do calor do Sol que é aproveitada e utili-
zada por meio de diferentes tecnologias, principalmente como o aquecimento solar,
energia solar fotovoltaica, energia heliotérmica e arquitetura solar. A energia solar é
considerada uma fonte de energia renovável e sustentável.
A energia solar é uma forma limpa e sem danos a natureza de se gerar energia elétrica
e por ser uma fonte de energia renovável baseada no sol a energia solar tem um grande
aproveitamento como fonte de calor e luz sendo uma das mais aproveitáveis e promis-
soras energias no mundo
ENERGIA SUSTENTÁVEL
A energia sustentável é a energia obtida a partir de recursos inesgotáveis. Por definição,
a energia sustentável atende às necessidades do presente sem comprometer a capa-
cidade para as gerações futuras satisfazerem as suas necessidades.
ENERGIA RENOVÁVEL
As energias renováveis são fontes de energia que são geradas a partir de processos e
recursos naturais que são continuamente reabastecidos em uma escala de tempo hu-
mana. Isso inclui a energia solar, calor geotérmica, energia eólica, energia das marés,
energia hídrica (água), e várias formas de bioenergia (biomassa). Estas energias reno-
váveis não podem ser esgotadas e são constantemente renovadas. A energia renovável
substitui combustíveis convencionais.
As principais fontes de energia renovável
A energia solar é uma forma de energia renovável, sustentável e limpa que é criada a
partir de luz solar, ou calor do sol.
Energia Oceânica
O oceano oferece várias formas de energia renovável, e cada uma é impulsionada por
forças diferentes. Energia a partir das marés e das ondas do mar pode ser aproveitada
para gerar energia sustentável, o calor armazenado na água do mar também pode ser
convertido em eletricidade através de trocadores de calor.
Energia Geotérmica
O calor no interior da Terra produz vapor e água quente que podem ser usados por
geradores de energia, como turbinas, para produzir energia elétrica sustentável. A ener-
gia geotérmica pode ser extraída de reservatórios subterrâneos profundos por perfura-
ção, ou de outros reservatórios geotérmicos mais perto da superfície.
5. 4Célula Fotovoltaica
Energia Hídrica
A energia hidrelétrica é uma fonte renovável de energia que utiliza a força ou energia da
água em movimento para gerar energia elétrica.
Energia Eólica
A energia eólica é gerada através da conversão de correntes de vento em outras formas
de energia, usando turbinas eólicas.
ENERGIA ALTERNATIVA
A energia alternativa é um termo usado para uma fonte de energia limpa (fonte de ener-
gia que não polui o meio ambiente) que é uma alternativa ao uso de combustíveis fós-
seis. Geralmente, isso indica energias que são não-tradicionais e de baixo impacto am-
biental. O termo alternativo é usado para contrastar com combustíveis fósseis de
acordo com algumas fontes. Energias alternativas não prejudicam o meio ambiente,
uma distinção que as separa de energia renovável que pode ou não ter um impacto
ambiental significativo.
DIFERENÇA ENTRE ENERGIA ALTERNATIVA E ENERGIA RENOVÁVEL
As energias alternativas são fontes de energia alternativas às que usam combustíveis
fósseis, mas não necessariamente se renovam. Ou seja, algumas fontes de energia
alternativa como a geotérmica não se renovam, podendo ser esgotadas no longo prazo
por uso exacerbado.
Já as energias renováveis se renovam e podem ser usadas a vontade sem que a fonte
seja esgotada. Por exemplo a energia solar que além de ser alternativa, ela se renova
todos os dias e podemos usar a vontade sabendo que não estamos poluindo e ela não
vai acabar.
6. 5Célula Fotovoltaica
CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Uma célula solar, ou célula fotovoltaica, é um dispositivo elétrico que converte a energia
da luz do Sol diretamente em energia eléctrica através do efeito fotovoltaico.
A HISTÓRIA DA CÉLULA FOTOVOLTAICA
O efeito fotovoltaico foi demonstrado pela primeira vez em 1839 pelo físico francês
Edmond Becquerel. Aos seus 19 anos, ele construiu a primeira célula fotovoltaica do
mundo no laboratório de seu pai.
Em 1883 Charles Fritts construiu a primeira célula fotovoltaica em estado sólido. Ele
revestiu o semicondutor selênio com uma fina camada de ouro para formar as junções.
A célula fotovoltaica de Charles tinha apenas 1% de eficiência.
Em 1905 Albert Einstein propôs uma nova teoria quântica da luz e explicou o efeito
fotoelétrico em uma de suas teses, pela qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em
1921.
A primeira célula fotovoltaica comercial foi lançada em 25 de Abril 1954 pelo Laborató-
rio Bell.
As Células Fotovoltaicas nas Missões Espaciais
As células solares foram utilizadas pela primeira vez no satélite Vanguard em 1958,
como uma fonte de energia alternativa. Em 1959 os Estados Unidos lançou o Explorer
6 com grandes painéis solares em forma de asa. Um total de 9600 células solares fo-
tovoltaicas. Isso se tornou uma característica padrão na maioria dos satélites e até hoje
ainda é a principal fonte de energia utilizada no espaço.
No início de 1990 a tecnologia utilizada nas células fotovoltaicas utilizadas no espaço
mudou do tradicional silício cristalino para materiais semicondutores à base de arseni-
eto de gálio. Hoje, essas células fotovoltaicas evoluíram para a moderna tecnologia de
multijunções.
7. 6Célula Fotovoltaica
OS PRINCIPAIS TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Células de Silício Cristalino
As células de silício cristalino são fatias de lingotes de silício cristalino que são depois
tratadas quimicamente para que possam produzir energia elétrica com a luz do sol
através do efeito fotovoltaico.
Célula de Silício Monocristalino (mono-Si)
Estas células solares são mais eficientes que a maioria das outras. Os cantos das cé-
lulas são recortados, como um octógono, porque as lâminas de silício (Wafers) são
cortadas a partir de lingotes cilíndricos, que são tipicamente cultivadas pelo processo
Czochralski. Os painéis solares que utilizam células mono-Si exibem um padrão distinto
de pequenos diamantes brancos. Na figura abaixo, da esquerda para a direita, o minério
8. 7Célula Fotovoltaica
de silício purificado, o forno de Czochralski, lingote de silício, as fatias (wafers) e a célula
fotovoltaica monocristalina:
Célula de Silício Policristalino (multi-Si)
As células também são feitas de silício purificado, porém o processo de fundição é
diferente. O silício purificado é fundido em grandes blocos. Células de silício policrista-
lino são o tipo mais comum usado em painéis fotovoltaicos e são menos eficientes do
que as feitas de silício monocristalino. Na figura abaixo, da esquerda para a direita, o
minério de silício purificado, a fundição em bloco do silício, os "tijolos de silício" corta-
dos, as fatias (wafers) e a célula fotovoltaica policristalina:
Célula Fotovoltaica de Filme Fino (Thin-Film)
Os painéis que usam a tecnologia de filme fino são feitos de uma forma completa-
mente diferente dos tradicionais com células de silício cristalino. A maioria dos painéis
de filme fino possuem eficiências de conversão de 2-3 pontos percentuais mais baixos
do que o silício cristalino. Também é uma ótima tecnologia e utilizada em pequenas
células fotovoltaicas como a de uma calculadora de escritório.
Célula Fotovoltaica de Heterojunção (HJT)
Células de silício heterojunção consistem em camadas finas de silício amorfo deposi-
tadas em wafers de silício monocristalino. Esta combinação entre a tecnologia
9. 8Célula Fotovoltaica
tradicional de silício cristalino com a de silício amorfo (filme fino) aumenta em 20% a
eficiência das células e é provavelmente a tecnologia com o maior potencial de cresci-
mento.
FUNCIONAMENTO DE UMA CÉLULA FOTOVOLTAICA
A célula fotovoltaica reage com a incidência dos raios do Sol e libera elétrons que, en-
tão, são transferidos para um circuito dentro de um painel solar, gerando assim energia
elétrica.
O PREÇO DA CÉLULA FOTOVOLTAICA
Devido ao aumento constante da capacidade produtiva mundial de células fotovoltai-
cas, incentivos governamentais e aumento na demanda, as células fotovoltaicas tive-
ram uma redução de preço gigante nas últimas décadas. O fato da energia elétrica ter
ficado cara devido a diversos fatores, também contribuiu muito para o aumento do uso
das células fotovoltaicas. O Gráfico abaixo mostra o declínio do preço da célula foto-
voltaica.
Há uma enorme variação no custo das placas solares com base nos tipos de painel
solar (tecnologia) e na eficiência das placas solares. No entanto, o tipo de placa usada
para instalações solares residenciais é bastante padrão e os custos são basicamente
definidos globalmente. Esse custo caiu tremendamente nos últimos anos. O preço da
10. 9Célula Fotovoltaica
placa solar é agora cerca da metade do preço que eles estavam em 2008, e cerca de
100 vezes menor do que eram em 1977.
O CUSTO DE APLICAÇÃO DAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
O custo de um sistema de energia solar fotovoltaico depende principalmente do tama-
nho e da complexidade da instalação. Estes preços são aproximados, com instalação
e projeto, assumindo a utilização de componentes de qualidade.
Preço da Energia Solar Fotovoltaica Residencial:
Casa pequena, de 2 pessoas = Sistema de 1.32Kwp preço médio de R$
10.673,36
Casa média, de 3 a 4 pessoas = Sistema de 2,64Kwp preço médio de R$
17.570,00
Casa média, 4 pessoas = Sistema de 3,3Kwp preço médio de R$ 20.320,00
Casa grande, 4 a 5 pessoas = Sistema de 4,62Kwp preço médio de R$ 25.695,00
Casa grande, 5 pessoas = Sistema de 6,6Kwp preço médio de R$ 32.410,00
Mansões, mais de 5 pessoas = Sistemas de até 10,56Kwp preço médio de R$
52,240,00
Preço da Energia Solar Fotovoltaica para Comércios e Indústrias:
Sistema de 15.84Kwp preço médio de R$ 75.308,73
Sistema de 18.81Kwp preço médio de R$ 85.570,00
Sistema de 22.44Kwp preço médio de R$ 98.674,00
Sistema de 26.40Kwp preço médio de R$ 106.503,40
Sistema de 53.46Kwp preço médio de R$ 204.955,00
Sistema de 66.00Kwp preço médio de R$ 245.511,00
Sistema de 75.24Kwp preço médio de R$ 284.780,00
Sistema de 102.30Kwp preço médio de R$ 378.850,00
Sistema de 204,60Kwp preço médio de R$ 726.350,00
Sistema de 306,90Kwp preço médio de R$ 1.130.200,00
Preço de Usinas de Energia Solar Fotovoltaica
5MW - R$17.5 a 20 milhões
30MW - R$105 a 120 milhões
11. 10Célula Fotovoltaica
IMPACTO AMBIENTAL DA CÉLULA FOTOVOLTAICA
Para se produzir uma célula fotovoltaica é necessária a utilização de diversos gases e
químicos. Hoje o controle de produção das células é extremamente alto é elas são pro-
duzidas em um ambiente controlado e todos os resíduos são tratados. Desta forma, o
impacto ambiental das células é praticamente nenhum.
BENEFÍCIOS DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Embora as pessoas pesem que o preço da energia solar fotovoltaica é elevado, se com-
parada como outros investimentos o preço da energia solar é barato.
Os a energia solar fotovoltaica pode parecer muito cara quando comprada, mas ao
longo dos anos economiza muito dinheiro. Afinal, a luz do sol é de Grátis!
Uma vez pago todo o investimento de compra do sistema fotovoltaico e a ter-se-á um
mínimo custo de manutenção ao longo de toda a sua vida útil, e dividirmos isso pela
energia gerada ao longo desses anos, pode perceber que a energia solar é mais barata
do que a que àquela que compramos na distribuidora ou rede.
A energia solar fotovoltaica é uma das melhores alternativas em regiões isoladas onde
não se tem rede elétrica, muito mais barata que geradores a diesel ou óleo combustível.
Os sistemas fotovoltaicos não fazem um único barulho ao gerarem energia solar. O
processo fotovoltaico é um processo 100% silencioso.
APLICAÇÃO DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Painel de vidro fotovoltaico
O painel de vidro ou simplesmente vidro inteligente foi feito para mudar de cor e opaci-
dade conforme a incidência de raios solares e, o mesmo, pode ser utilizado para trans-
formar o calor da luz solar em eletricidade e mantar a características do vidro intacta.
O vidro é revestido por um líquido semicondutor que contém diversos compostos quí-
micos, como césio e iodeto de chumbo. Por ser totalmente transparente em
12. 11Célula Fotovoltaica
temperatura ambiente, ele permite a passagem de 82% da luz que chega até ele, no
entanto, quando aquecido até 105ºC, o vidro passa a ter uma coloração alaranjada e
se torna mais opaco, deixando passar apenas 35% da luz.
A longo prazo o material transparente pode ser usado para substituir a maioria dos
painéis tradicionais, criando prédios e carros capazes de gerar sua própria eletricidade.
Por exemplo, um prédio comercial revestido com esse vidro gastaria menos energia
com ar condicionado, gerando mais economia.
Célula fotovoltaica transparente
Atualmente, os recursos mais conhecidos para captação de energia solar são os pai-
néis solares e placas fotovoltaicas. Os raios solares podem ser aproveitados para gerar
energia com a ajuda da célula fotovoltaica transparente, uma invenção nascida nos Es-
tados Unidos.
Pesquisadores da Universidade Estadual de Michigan criaram um tipo de célula solar
que pode ser aplicada em janelas, vidros de carro e outros objetos. A célula transpa-
rente foi desenvolvida com grande capacidade de absorção dos raios do sol, e podem
ser tão eficientes quanto à versão mais comum dos painéis solares, que geralmente
são instalados no topo das casas.
Muito parecida com um pedaço de vidro, a célula transparente quando colocada em
objetos feito de vidro, é capaz de gerar energia. Feita a partir de moléculas orgânicas
desenvolvidas pelos próprios cientistas, as células transparentes absorvem partículas
invisíveis de luz solar. Devido a pequenos filamentos de células fotovoltaicas presentes
no seu interior, a célula tem ajustes que captam ondas no campo ultravioleta e infra-
vermelho, e em seguida convertem essas ondas em eletricidade.
13. 12Célula Fotovoltaica
Com isso, não há perda nenhuma de visibilidade, considerando que nenhum ser hu-
mano consegue ver acima do ultravioleta ou abaixo do infravermelho. Isto significa que
usando a célula transparente dentro de casa você não há perda da luz do sol enquanto
a célula estiver produzindo energia. Além disso, o uso dessa tecnologia permitiria, por
exemplo, que carros e até mesmo um celular aproveitasse a energia limpa do sol.
CÉLULAS FOTOVOLTAICAS INTEGRADAS EM EDIFÍCIOS
A energia solar fotovoltaica integrada em edifícios (em inglês conhecida como Building
Integrated Photovoltaics ou por suas siglas BIPV) consiste na utilização de módulos
fotovoltaicos que literalmente fazem parte da estrutura de um edifício em substituição
de materiais de construção convencionais como coberturas de tetos, traga-luzes, cla-
raboias ou fachadas.
Os módulos fotovoltaicos estão a cada vez mais incorporados desde as etapas iniciais
no desenho e a construção de novos edifícios como sua fonte principal de eletricidade
ou para poupança de energia, ainda que os edifícios existentes podem ser ampliados
com uma tecnologia similar.
Uma vantagem da incorporação de sistemas fotovoltaicos inicialmente integrados é
que o custo final pode ser compensado pela redução da despesa em materiais de cons-
trução convencionais e poupança da montagem que normalmente se utilizam para
construir a parte do edifício que substituem os módulos BIPV. Estas vantagens permi-
tem que a fotovoltaica BIPV seja um dos segmentos da indústria fotovoltaica que au-
menta mais rapidamente.
Uma expressão diferente em inglês é Building-applied Photovoltaics ou BAPV que se
refere aos sistemas fotovoltaicos que supõem uma adaptação de unidades integradas
no edifício uma vez completada a construção.
Módulos Transparentes
Os módulos utilizados para integração fotovoltaica podem ser tanto de silício amorfo
como de cristalino (poli-cristalino ou mono-cristalino) e admitem diversos graus de
transparência.
Assim mesmo, para os navios de cruzeiros pode-se utilizar uma placas solares trans-
parente, para que deixem passar parte da luz solar.
14. 13Célula Fotovoltaica
EXEMPLOS DE EDIFÍCIOS COM INTEGRAÇÃO DE CÉLULAS FOTO-
VOLTAICAS
Novo Headquarter da Apple
A construção, que mais parece uma nave espacial, custou 5 bilhões de dólares e conta
com um dos maiores sistemas fotovoltaicos já instalados em um prédio corporativo.
A gigante de tecnologia aproveitou a extensa cobertura para instalar milhares de pai-
néis fotovoltaicos que totalizam um sistema de 17 megawatts de potência. Toda a
energia consumida pelo prédio será de fonte renovável.
Escola Internacional de Copenhague
O novo prédio da Escola Internacional de Copenhague, na Dinamarca, é considerado a
maior fachada solar do mundo. São mais de 12.000 painéis fotovoltaicos integrados
diretamente na estrutura da construção e são capazes de produzir metade do consumo
de energia da escola (em torno de 300 megawatts-hora por ano).
15. 14Célula Fotovoltaica
Estádio Nacional de Taiwan (Kaohsiung)
O estádio projetado pelo arquiteto japonês Toyo Ito, o estádio tem um design semi-
espiral que lembra a um dragão e é o primeiro estádio do mundo a produzir pratica-
mente toda a energia consumida através de 14.155 m2
de painéis fotovoltaicos, o sufi-
ciente para garantir fornecimento para as 3.300 lâmpadas e aos dois telões.
Projecto BIPV por ISSOL -Estação ffcc. TGV de Perpinham na França.
16. 15Célula Fotovoltaica
Fachada da Power Tower, edifício eficiente na cidade de Linz (Áustria). A fachada sul
do edifício está equipada com painéis solares fotovoltaicos integrados na fachada.
Pearl River Tower arranha-céus desenhado para ter uma grande eficiência energética
(incluindo geradores eólicos e placas solares), localizado em Guangzhou, China.
17. 16Célula Fotovoltaica
Edifícios dotados de painéis solares fotovoltaicos, no marco do projecto Beddington
Zero Energy Development (BedZED) em Sutton (Londres, Reino Unido).
Moradias sustentáveis alimentadas mediante energia solar fotovoltaica no bairro so-
lar de Vauban (Friburgo, Alemanha)
18. 17Célula Fotovoltaica
Fachada fotovoltaica no edifício MNACTEC (Tarrasa, Espanha)
Curiosidades sobre energia solar
A cada mês, a 1kWp de energia solar fotovoltaica irá impedir que aproximada-
mente 77kg de carvão sejam queimados no mundo.
A indústria de energia solar é uma das 5 que mais crescem no mundo.
Aproximadamente 30% da energia elétrica utilizada em uma casa é consumida
pelo chuveiro elétrico. Ou seja, é possível economizar tudo isso com um aque-
cedor solar.
Um avião movido a energia solar sobrevoou os EUA por mais de 4.000 km.
Todos os anos a Austrália sedia uma corrida de carros elétricos movidos a ener-
gia solar. As velocidades médias dos carros ultrapassam os 100km/h!
O MS Turanor PlanetSolar é o maior barco solar do mundo. Este catamarã opera
exclusivamente em energia solar captada pelos seus 512m² de painéis solares.
Com uma velocidade máxima de 26km/h, ele é o barco movido a energia solar
que deu a volta mais rápido no mundo.
No Brasil já é possível produzir a sua própria energia elétrica com sistemas fo-
tovoltaicos e se houver produção de energia em excesso “vender” esta energia
para rede pública através de créditos de energia.
19. 18Célula Fotovoltaica
Conclusão
Através do efeito fotovoltaico, células fotovoltaicas convertem diretamente a energia
do sol em energia elétrica de forma estática, silenciosa, não-poluente e renovável. Pois
ele é em material que foi desenvolvido, e demonstrado o seu efeito fotovoltaico pela
primeira vez em 1839, mas o seu uso era apenas para missões espaciais.
Hoje o material já é usado nos edifícios. O uso das células fotovoltaicas em edifícios
reduz o consumo energético uma vez que a energia convertida pelo material é consi-
derada limpa, que não polui o ambiente e sustentável.
Essa tecnologia está em alta no mercado de construção civil, arquitectos do mundo
inteiro já estão cientes das às vantagens econômicas do material.