energia fotovoltaica como alternativa energética viável

56 Pages·2014·1.41 MB·Italian

Universidade Federal do Rio de Janeiro

ENERGIA FOTOVOLTAICA COMO
ALTERNATIVA ENERGÉTICA VIÁVEL

Juliana Luiza Barroso Lima

2014
ENERGIA FOTOVOLTAICA COMO
ALTERNATIVA ENERGÉTICA VIÁVEL

Juliana Luiza Barroso Lima

Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia de Materiais da
Escola Politécnica, Universidade Federal
do Rio de Janeiro, como parte dos
requisitos necessários à obtenção do título
de Engenheiro.

Orientadora:
Renata Antoun Simão

Rio de Janeiro
Fevereiro de 2014

Lima, Juliana Luiza Barroso
Energia fotovoltaica como alternativa energética viável/

Juliana Luiza Barroso Lima. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola
Politécnica, 2014.
ix, 48 p. 29,7 cm.

Orientadora: Renata Antoun Simão
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia de Materiais, 2014.

Referências Bibliográficas: p. 47
1. Energia fotovoltaica. 2. Eficiência de conversão. 3.
Viabilidade econômica. I. Simão, Renata Antoun. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia de Materiais. III. Titulo.

iv
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, gostaria de agradecer à minha família maravilhosa, por todo o amor
e todo o apoio. Principalmente à minha mãe, Cristina, que sempre foi e vai ser a
inspiração da minha vida.
Aos meus amigos de faculdade, os meus agradecimentos de todo o coração, por toda
a força e todos os momentos compartilhados. Vocês tornaram a minha trajetória na
faculdade muito mais alegre, interessante e fácil. A vocês eu dedico o seguinte texto:
"Até aqui viajamos juntos.
Passaram vilas e cidades, cachoeiras e rios, bosques e florestas...
Não faltaram os grandes obstáculos.
Frequentes foram as cercas, ajudando a transpor abismos...
As subidas e descidas foram realidade sempre presente.
Juntos, percorremos retas, nos apoiamos nas curvas, descobrimos cidades...
Chegou o momento de cada um seguir viagem sozinho...
Que as experiências compartilhadas no percurso até aqui sejam a alavanca para
alcançarmos a alegria de chegar ao destino projetado.
A nossa saudade e a nossa esperança de um reencontro aos que, por vários
motivos, nos deixaram, seguindo outros caminhos.
O nosso agradecimento àqueles que, mesmo de fora, mas sempre presentes, nos
quiseram bem e nos apoiaram nos bons e nos maus momentos.
Dividam conosco os méritos desta conquista, porque ela também pertence a
vocês. Uma despedida é necessária antes de podermos nos encontrar outra vez.
Que nossas despedidas sejam um eterno reencontro."
(Autor desconhecido)
Rio de Janeiro, 24 de Fevereiro de 2014.

v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro de Materiais.
Energia fotovoltaica como alternativa energética viável
Juliana Luiza Barroso Lima
Fevereiro/2014
Orientadora: Renata Antoun Simão
Curso: Engenharia de Materiais
Este trabalho tem como objetivo apresentar uma revisão bibliográfica geral sobre a
tecnologia fotovoltaica, tendo em vista o mercado brasileiro e suas principais
limitações, no que se refere às barreiras técnicas, econômicas e regulamentares. Na
revisão bibliográfica, são apresentados os princípios básicos da fotovoltaica, como a
formação de junção, os tipos de dispositivos e suas propriedades elétricas. Em
seguida, fala-se brevemente sobre as principais aplicações deste tipo de energia e,
logo depois, é dado início ao estudo sobre as tecnologias fotovoltaicas atuais, tendo o
Brasil como ponto de vista para as análises. Aspectos econômicos e ambientais sobre
as tecnologias disponíveis reiteram a importância de que as energias renováveis
tenham LCOEs favoráveis, mesmo para geração de energia em larga escala, tornando
possível a penetração da tecnologia no mercado, como fator principal o fato de que
esse tipo de energia não traz prejuízos à saúde humano, nem ao meio ambiente. Por
conseguinte, é apresentada a viabilidade econômica dos sistemas fotovoltaicos,
através da estimativa dos principais custos e das tarifas de energia. Por fim, a
proposta do trabalho concentra-se no aumento da eficiência da conversão de energia
para os sistemas fotovoltaicos, através de conceitos termodinâmicos, que consideram
diferentes propriedades dos materiais para que esses ganhos de eficiência sejam
obtidos. E, principalmente, que estes ganhos estejam atrelados a materiais e
tecnologias de baixo custo e que não sejam prejudiciais ao meio ambiente.
Palavras-chaves: Energia renovável, células fotovoltaicas, sistemas fotovoltaicos,
eficiência, conversão de energia.

vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfilment of the
requirements for the degree of Engineer.
PHOTOVOLTAICS AS A VIABLE ENERGY ALTERNATIVE
Juliana Luiza Barroso Lima
February, 2014
Advisor: Renata Antoun Simão
Course: Materials Engineering
This work aims to present a general literature review on photovoltaic technology, in the
view of the Brazilian market and its main limitations, with regard to technical, economic
and regulatory barriers. In the literature review, the basic principles of photovoltaics are
presented, as the joint formation, the types of devices and their electrical properties.
Next, a briefly talk about the main applications of this type of energy and after it, the
study of current photovoltaic technologies is initiated, with Brazil as a viewpoint for the
analysis. Economic and environmental aspects about the available technologies
reiterate the importance of renewable energy with favorable LCOEs, even for power
generation on a large scale, making possible the penetration in the market, being the
main factor that this type of energy does not brings harm to human health or the
environment. Therefore, the economic viability of PV systems is presented, by
estimating the capital costs and electricity tariffs. Finally, the proposed work focuses on
increasing the efficiency of energy conversion for photovoltaics through thermodynamic
concepts, which consider different material properties for gains in efficiency. More
importantly, these gains are tied to materials and inexpensive technologies which are
not harmful to the environment.

Keywords: Renewable energy, photovoltaic cells, photovoltaic systems, efficiency,
energy conversion.

vii
Sumário
1. Introdução .............................................................................................................. 1
2. Revisão bibliográfica .............................................................................................. 1
2.1 Alternativas energéticas viáveis: A demanda global de energia e de
abastecimento ........................................................................................................... 1
2.2.1 Energia solar ........................................................................................... 2
2.2 Energia fotovoltaica ........................................................................................ 4
2.2.1 Origem..................................................................................................... 4
2.2.2 Princípios básicos .................................................................................... 5
2.2.2.1 Propriedades elétricas dos semicondutores ..................................... 6
2.2.2.2 Formação de junção ......................................................................... 8
2.2.2.3 Dispositivos básicos ......................................................................... 9
2.2.2.4 Tipos de dispositivos ........................................................................ 9
2.2.3 Principais aplicações ............................................................................. 11
2.2.4 Estudo sobre as tecnologias atuais ....................................................... 12
2.2.4.1 Panorama Brasil: Cadeia produtiva ................................................ 12
2.2.4.2 Quais os grandes desafios para o Brasil? ....................................... 16
2.2.4.3 Aspectos ambientais das energias fotovoltaicas atuais .................. 18
2.2.4.4 Aspectos econômicos das energias fotovoltaicas atuais ................. 19
2.2.4.5 Viabilidade econômica de sistemas fotovoltaicos ........................... 23
2.2.5 Conceitos futuros para energia fotovoltaica.............................................35
2.2.5.1 Curva de aprendizado tecnológico .................................................. 35
3. Proposta - Novas abordagens para aumentar a eficiência de conversão ............. 36
3.1 Dispositivos fotônicos ................................................................................... 41
3.2 Materiais de absorção otimizada .................................................................. 43
3.3 Máquinas térmicas ........................................................................................ 43
4. Considerações finais ........................................................................................... 44
5. Bibliografia ........................................................................................................... 47
viii
ix
1. Introdução
Em termos energéticos, a tendência mundial tem sido a busca por novas fontes de
energia que possam atender ao acelerado crescimento da demanda, de forma não
poluente e sustentável.
Hoje em dia, carvão, gás natural, derivados do petróleo e energia nuclear são os
caminhos mais rentáveis na geração de energia em larga escala mundialmente.
Entretanto, essas tecnologias tradicionais impactam negativamente o meio ambiente,
pessoas e a economia das áreas afetadas por elas.
A energia solar aparece como uma solução viável para a demanda energética e,
também, para os problemas ambientais. Entretanto, a implantação em massa de
algumas tecnologias solares encontram alguns desafios, que não são apenas
tecnológicos, mas também econômicos e sócio – políticos.
2. Revisão bibliográfica
2.1 Alternativas energéticas viáveis: A demanda global de energia e de
abastecimento
Globalmente, o maior volume de fornecimento de energia concentra-se na utilização
de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural), entretanto, a ameaça de
mudança do clima e da poluição ambiental oferece grande oportunidade, porém,
grandes desafios para a implantação de energias renováveis em escala significativa.
O debate de temas como a crise energética, por conta da redução das reservas
petrolíferas mundiais, dos impactos ambientais causados pelo uso de fontes de
energia poluentes e a potencial escassez dos recursos naturais, tudo isso somado ao
aumento da demanda por oferta de energia, com uma população que cresce cada vez
mais, torna de suma importância a discussão acerca de energias alternativas, que
possam atender a crescente demanda, utilizando racionalmente os recursos
energéticos e reduzindo os impactos ambientais.
Implantação em massa de tecnologias de energia renovável em uma escala global é a
solução para balancear as necessidades energéticas com a proteção ambiental, sendo
que algumas dessas tecnologias estão começando a ter custos competitivos com a
geração de energia convencional. Entretanto, desafios tecnológicos, científicos e
1