Gerao_PV_Introduo_2025 1

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• Princípios Básicos da Energia Solar 
Fotovoltaica 
•Professor: Thiago de Oliveira Alves Rocha
Email: thiago.rocha@ufrn.br
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Geração de Energia Elétrica
Thiago Rocha
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SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA
Thiago Rocha
1 – Introdução
• Necessidade do uso sustentável da energia elétrica.
• O incentivo ao consumo da energia elétrica proveniente de fontes
renováveis é um caminho que precisa ser seguido (ONU, 2015).
• Preocupação com crescimento desordenado das mudanças climáticas.
• Necessidade de redução de combustíveis fosseis.
• O aquecimento global afeta o bem-estar das gerações atuais e futuras.
• Uma das soluções é o investimento massivo na produção de energias
renováveis, bem como, o seu uso de forma eficiente.
• As fontes de energias: hidráulica, biomassa e geotérmica são parcialmente
renováveis.
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SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA
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• Os sistemas de geração fotovoltaicos (PV) oferecem uma grande
oportunidade para contribuir com geração de energia elétrica.
• As características principais dos sistemas PV são:
• i) Baixo nível de manutenção;
• ii) Baixos custos por tempo de inatividade;
• iii) Necessidade de abastecimento nula;
• iv) Rápido tempo de construção.
1 – Introdução
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1 – Introdução
Sem
GD
1 – Introdução
• Segundo a Global Market Outlook for Solar Power 2022-2026 o Brasil
pode se tornar um dos principais países na fonte solar nos próximos anos,
podendo atingir 67GW na fonte solar até 2026.
• Além disso, o Brasil pode atingir também 77GW no melhor cenário
possível e 48GW no pior cenário possível, segundo o estudo.
• Também, segundo o estudo, devemos se tornar o 5º país que mais irá
crescer no mercado de energia solar até o ano de 2026.
1 – Introdução
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• Necessidade de se obter energia elétrica a partir de fontes renováveis.
• Intensa irradiância existente no Brasil, em especial, na região nordeste.
• Nos últimos anos ocorreu um desenvolvimento das tecnologias associadas a
este tipo de geração.
• O retorno financeiro gira em torno de 4 a 5 anos, para sistemas residenciais.
• No mundo, estes sistemas têm sido estudados e implementados de forma
abrangente.
• A Resolução 482/2012 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL),
incentivo este tipo de geração (microgeração e minigeração).
• Na Resolução 687/2015, da ANEEL, foram feitas grandes melhorias em
relação ao autoconsumo remoto, redução da espera na conexão com a rede,
geração compartilhada e geração em condomínios.
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2 – Motivações para o Estudo de Sistemas PV
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• 99 % (1311066 unidades) da unidades de geração distribuída (1311645
unidades) no Brasil são PV.
• 98,36 % (13981575,43kW) da capacidade instalada de geração distribuída
(13752636,35kW) no Brasil são PV.
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2 – Motivações para o Estudo de Sistemas PV
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2 – Motivações para o Estudo de Sistemas PV
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2 – Motivações para o Estudo de Sistemas PV
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• Breve histórico das células fotovoltaicas (VALLÊRA e BRITO, 2013);
• 1839 - O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira por Edmond
Becquerel;
• 1877 - W. G. Adams e R. E. Day desenvolveram o primeiro dispositivo sólido
para geração de eletricidade a partir da luz;
• 1905 - Albert Einstein desenvolve a teoria de bandas e física dos
semicondutores e a produção do transístor de silício impulsionou a geração
fotovoltaica.
• 1953 – Produção da primeira célula solar, utilizando processo de difusão,
Calvin Fuller;
• 1955 – Primeira aplicação das células solares de Chapin, Fuller e Pearson (rede
telefónica local);
• 1966 – O observatório astronômico orbital foi lançado com um conjunto de
células fotovoltaicas de 1 kW;
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3 – Histórico das células fotovoltaicas (PV)
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• 1979 - A Nasa implementou um sistema de energia solar de 3,5kW, na reserva
indigena Papago em Schuchuli, Arizona.
• 1982 - A produção mundial de células fotovoltaicas ultrapassou os 9,3 MW.
• 1998 - Foi atingida a eficiência recorde de 24,7%, com células em silício
monocristalino.
• 2004 - Viaud apresentou células solares, chamadas células em cascata, com
rendimentos de conversão superiores a 34%.
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3 – Histórico das células fotovoltaicas (PV)
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• A classificação dos materiais de acordo com a condução de corrente elétrica
está associada à estrutura dos átomos.
• Existem orbitais permitidos aos elétrons com determinados níveis de
energia (COHEN-TANNOUDJI, DIU e LALOË, 1977).
• Para passar para um orbital superior o elétron deve receber energia de uma
fonte externa (luz ou calor).
• Na passagem de um elétron de um orbital de maior energia para um de
menor energia este libera energia.
• Para explicar o funcionamento da estrutura atômica, após diversos modelos
e teorias, a física quântica chegou à teoria das bandas de energia.
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4 - Células e Módulos Fotovoltaicos (PV)
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• Existem três tipos de bandas de energia.
• Essas bandas são divididas em:
• Banda de valência – Energia para que os elétrons completem as ligações
covalentes com os átomos vizinhos.
• Banda de condução – Energia que elétrons recebem de alguma forma e não
mais estão ligados aos átomos
• Banda proibida – Banda de energia onde o elétron não pode permanecer.
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Figura 2 - Regiões de energia permitidas para os elétrons no átomo, de acordo com o seu orbital. 
• Os materiais podem ser classificados em condutores, semicondutores e isolantes.
• Condutores são compostos moleculares onde alguns elétrons de valência (elétrons
livres) se situam também na banda de condução.
4 - Células e Módulos Fotovoltaicos (PV)
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• Semicondutores são materiais onde a banda proibida é pequena (da ordem
de 3 eV).
• Os elétrons saltam para a banda de condução com relativa facilidade.
• Silício (Si) e o Germânio (Ge).
• Os materiais isolantes possuem uma banda proibida grande (> 3 eV).
• Os elétrons não conseguem normalmente passar da banda de valência para
a banda de condução.
• Somente campos elétricos muito altos podem remover os elétrons da banda
de valência, quando ocorre a ruptura do isolante.
• O cristal de silício puro, também chamado material intrínseco, possui uma
estrutura com organização atômica regular (SEDRA e SMITH, 2007).
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• À temperaturas superiores ao zero absoluto, algumas ligações covalentes
são rompidas e elétrons são liberados.
• O aumento da condutividade dos semicondutores pode ser conseguido
através de um processo chamado de dopagem.
Figura 3 – Estrutura de bandas de energia.
4 - Células e Módulos Fotovoltaicos (PV)
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• Material intrínseco: Cristal formado apenas por silício.
• Tipo N: Ao introduzir átomos pentavalentes como o Antimônio (Sb), o
Fósforo (P) e o Arsênio (As).
• Tipo P: Se forem introduzidas ao semicondutor, impurezas trivalentes,
como o Boro (B), Gálio (Ga) ou Índio (In).
Figura 4 – Material intrínseco, do tipo N e do tipo P.
4 - Células e Módulos Fotovoltaicos (PV)
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• Na junção PN forma-se uma tensão elétrica 𝑉𝑜 𝑇 .
𝑉𝑜 𝑇 =
𝑘𝑇
𝑞
ln
𝑛𝑑𝑛𝑎
𝑛𝑖
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- Diferença de potencial da junção. - Concentração de portadores intrínsecos. 
– Constante de Boltzmann (. - Concentração de portadores dopantes do tipo N.
– Temperatura em Kelvin. - Concentração de portadores dopantes do tipo P. 
– Carga do elétron .
Figura 5 – Material tipo PN.
4 - Células e Módulos Fotovoltaicos (PV)
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• O princípio de operação das células fotovoltaicas se baseia na absorção de
energia luminosa por um material semicondutor.
• Ao incidir luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons incidentes transferem
energia para elétrons no material.
• A corrente elétrica é proporcional à variação da luz incidente.
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Figura 6 – Célula fotovoltaica.
4 - Células e Módulos Fotovoltaicos (PV)
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• Pesquisas têm sido feitas a fim de desenvolver materiais e condições mais
favoráveispara a manufatura de células fotovoltaicas.
• https://www.portalsolar.com.br/blog-solar/energia-solar/cientistas-norte-
americanos-desenvolvem-celula-solar-mais-eficiente-do-mundo.html
(Célula mais eficiente no mundo 44%)
• Materiais usados:
• Silício
• Silício amorfo (a-Si)
• Telureto de cádmio (CdTe)
• Cobre, índio e gálio seleneto (CIS / CIGS)
• Células solares fotovoltaicas orgânicas (OPV) 
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5 - Tipo de células PV
https://www.portalsolar.com.br/blog-solar/energia-solar/cientistas-norte-americanos-desenvolvem-celula-solar-mais-eficiente-do-mundo.html
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• Células de Silício Monocristalino.
• Têm sido a melhor escolha por muitos anos, estando entre as formas mais antigas,
eficientes e confiáveis.
• Construídas de único cristal.
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Figura 7 – Módulo com células de silício monocristalinas.
5 - Tipo de células PV
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• Os módulos monocristalinos normalmente podem ser reconhecidos por sua
cor que normalmente é preto ou azul.
• As células são obtidas a partir de um processo similar ao usado para
produzir pastilhas de semicondutores para circuitos integrados.
• Pesquisas indicam que os painéis monocristalinos podem durar mais de 50
anos.
• Vantagens:
Longevidade;
Eficiência - de 18% a 24%.
• Desvantagens:
Mais caros;
Frágeis. 
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5 - Tipo de células PV
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• Células de Silício Policristalino.
• Foram introduzidos no mercado no começo da década de 80.
• São menos eficientes dos que os de silício monocristalino, tipicamente de 16% a
18%.
• Os cristais de silício são fundidos em um bloco, desta forma preservando a
formação de múltiplos cristais.
• A razão principal da menor eficiência é a menor pureza do silício utilizado.
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Figura 8 – Módulo com células de silício policristalino (ELECTRICIDAD, 2016).
5 - Tipo de células PV
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• Vantagens:
• Preço, quando comparado ao monocristalino;
• Esteticamente são mais agradáveis.
• Desvantagens:
• Para uma mesma potência gerada é necessário utilizar uma área maior e
consequentemente, os custos de instalação são mais elevados.
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5 - Tipo de células PV
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• Célula de Filme Fino;
• São mais baratas do que as células solares mono e policristalinos.
• Sua eficiência geralmente é bastante menor, da ordem de 5% a 8%.
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Figura 9 – Módulo com células de filme fino (NEW HOME, 2017).
5 - Tipo de células PV
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• Vantagens:
• Apresenta uma absorção da radiação solar na faixa do visível;
• Flexibilidade;
• Processo de fabricação relativamente simples e barato;
• Possibilidade de fabricação de células com grandes áreas;
• Baixo consumo de energia na produção.
• Produzidos em qualquer dimensão
• Desvantagens:
• Baixa eficiência de conversão;
• As células são afetadas por um processo de degradação logo nos primeiros meses de
operação, reduzindo assim a eficiência ao longo da vida útil.
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5 - Tipo de células PV
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• Módulo BIPV (Building Integrated PhotoVoltaics) em Português: Sistemas
Fotovoltaicos Integrados
• Um BIPV consiste em células solares ou placas, que estão integradas na construção de
elementos ou materiais como parte da estrutura do edifício.
• Muito usado por arquitetos na substituição de telhas e de janelas.
• Vidro colorido, tratado e polivalente;
• Efeito antirreflexo;
• Superfície externa opaca, evitando efeitos de brilho;
• Eficiência de 8% a 9,5%.
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5 - Tipo de células PV
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6 – Exemplo de Projeto
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6 – Exemplo de Projeto
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6 – Exemplo de Projeto
Horas de sol pleno
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6 – Exemplo de Projeto
83,54% da energia da casa
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6 – Exemplo de Projeto
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6 – Exemplo de Projeto