Um Painel Fotovoltaico de Custo reduzido para o Ensino da Conversão Fotovoltaica

## Um Painel Fotovoltaico de Custo reduzido para o Ensino da Conversão Fotovoltaica

## Jonatas Rodrigues 1 , Marco Aurélio do Espírito Santo , Monique Pacheco do 2 Amaral 3

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1 IFRJ/Campus Volta Redonda, jonatas.fisica@yahoo.com

IFRJ/Campus Volta Redonda, marco.santo@ifrj.edu.br

3 IFRJ/Campus Volta Redonda, monique.amaral@ifrj.edu.br

## Resumo

Os Parâmetros Curriculares Nacionais e trabalhos de educação em Física apontam a necessidade da atualização escolar com a inserção de temas presentes na vida cotidiana do estudante, que permitam uma maior aproximação entre Física e sua realidade como indivíduo participante de uma sociedade influenciada pelos modelos contemporâneos e tecnologias trazidas pela Física Moderna. Procurando contribuir para o desenvolvimento de propostas para o ensino de Física este trabalho apresentará um painel fotovoltaico confeccionado a partir de materiais de baixo custo para abordar a conversão de energia solar em energia elétrica. O painel é constituído de quatro células fotovoltaicas associadas em paralelo, conectadas a dois bornes para pinos tipo banana e um pequeno motor de corrente continua. Nestas células a energia elétrica é obtida pela conversão da radiação solar em materiais semicondutores que absorvem a energia luminosa e induzem uma corrente elétrica. O painel possibilita medidas da corrente e diferença de potencial e análise dos fatores físicos envolvidos no processo como a intensidade da luz e inclinação do painel em relação aos raios luminosos.

Palavras-chave : Efeito fotovoltaico; Célula fotovoltaica; Energia solar, Ensino de Física Moderna.

## 1. Introdução

Desde os anos iniciais da alfabetização formal recebida nas escolas aprende-se que o Sol é a fonte de energia primária do nosso planeta e responsável pela manutenção da vida terrestre. Esta energia é liberada através do processo de fusão nuclear do hidrogênio (H) em hélio (He) chegando à superfície terrestre em forma de radiação. Os diversos processos físicos e químicos induzidos a partir da absorção de calor solar produzem os combustíveis fósseis pela decomposição de material orgânico em camadas profundas do solo. São de origem fóssil o petróleo, o gás natural, o carvão mineral e xisto. Estas formas de combustível são utilizadas em todas as atividades humanas causando a degradação ambiental e escassez de energia. Atualmente a energia solar tem sido apontada como uma importante forma de energia alternativa aos combustíveis fósseis. Infinitamente renovável e limpa está presente nas indústrias e residências no aquecimento da água, por meio de coletores solares, convertida em energia elétrica em sistemas fotovoltaicos que apresentam diversas aplicações. Nestes sistemas a parte principal, os painéis

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23 a 27 de janeiro de 2017

solares, são os responsáveis pela conversão da energia solar em energia elétrica. Estes são constituídos das denominadas células solares fabricadas com materiais semicondutores que realizam internamente o efeito fotovoltaico inicialmente observado pelo físico francês Edmund Becherel em 1870 ( MACHADO & MIRANDA, 2014).

Neste trabalho será apresentado um painel fotovoltaico de custo reduzido confeccionado a partir de materiais de fácil aquisição com objetivo de levar para a sala de aula a conversão de energia solar em energia elétrica e a discussão sobre energias renováveis. Aborda-se também sucintamente o funcionamento das células fotovoltaicas fornecendo uma base teórica mínima para a compreensão da transformação de energia solar através de materiais semicondutores.

## 2. A célula fotovoltaica e suas características

As células fotovoltaicas são os elementos responsáveis pela conversão direta da energia solar em energia elétrica. As primeiras fabricadas possuíam um rendimento em torno de 2%, atualmente se encontram células com rendimento acima de 18%. Estas são produzidas a partir de materiais semicondutores com destaque as de silício que são classificadas de acordo com estrutura molecular como monocristalinas, policristalinas e amorfas (VILLALVA & GASOLI, 2012).

As células de silício monocristalino são obtidas a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As barras são cortadas em células finas (0,4-0,5mm de espessura). A eficiência destas células na conversão de luz solar em eletricidade é superior a 12%. Já as células policristalinas são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de silício puro em moldes. Colocado nos moldes, o silício esfria e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal, formando uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. A eficiência deste tipo de célula fica em torno de 10% a 18%. Finalmente existem as células de silício amorfo fabricas por deposição de camadas muito finas de silício ou outros materiais semicondutores sobre superfícies de vidro ou metal. Sua eficiência fica entre 5% e 7% (VILLALVA & GASOLI, 2012). A figura 01 mostra uma célula policristalina típica.

Figura 01: Célula de silício policristalino

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(Fonte: Energia solar fotovoltaica conceitos e aplicações, 2012)

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As células fotovoltaicas possuem tensão e corrente de saída de baixa intensidade. Para obter valores adequados é feito o agrupamento de células formando um módulo fotovoltaico. O número de células conectadas e o tipo de associação, em série ou paralelo dependerá da tensão e da corrente elétrica desejada. Na associação em paralelo às células apresentam terminais do mesmo tipo ligados a um ponto comum, a tensão resultante permanece a mesma das células individuais e a corrente total a soma das correntes de cada célula. Na associação em série, o terminal positivo de um módulo é ligado ao terminal negativo do outro, gerando uma corrente única e uma tensão total que é dada pela soma das tensões em cada célula (VILLALVA &amp; GASOLI, 2012).

A célula fotovoltaica é constituída por silício (Si) que é encontrado na natureza na forma de areia e com processos adequados sua forma pura pode ser obtida. O cristal de silício puro não apresenta elétrons livres sendo mau condutor de eletricidade, este comportamento elétrico pode ser alterado através do processo denominado dopagem. Inserindo-se, por exemplo, um átomo de fosforo(P) na rede cristalina de silício haverá um elétron que poderá se movimentar pelo material, pois não está ligado fortemente ao átomo. O novo material contém elétrons em excesso e por este motivo é denominado semicondutor tipo n. Agora se o átomo inserido na rede cristalina de silício for de gálio (Ga) ocorrerá o contrario. Um elétron estará faltando e esta lacuna ou 'buraco' se comportará com uma partícula positiva, podendo também se movimentar pelo material, com um elétron de um átomo vizinho ocupando esta lacuna. Neste caso o semicondutor é denominado do tipo p. A figura 02 mostra o processo de dopagem em uma rede cristalina (ALVES &amp; DA SILVA, 2008).

Figura 02: (a) Representação de um cristal de silício. (b) Inserindo um átomo de fósforo à rede ele disponibiliza um elétron, que pode se mover pelo cristal. (c) Inserindo um átomo de gálio haverá a falta de um elétron (buraco). Como um elétron de um átomo vizinho pode ocupar esta lacuna, o efeito final é o de uma carga positiva se movendo pelo cristal.

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(Fonte: Usando um LED como fonte de energia. Física na Escola, 2008)

O silício, considerado um material semicondutor, se caracteriza eletricamente pela presença de faixas de energia onde é permitida a presença de elétrons, faixa de valência, e de outra totalmente vazia, faixa de condução. Entre essas faixas se encontra a faixa proibida ou gap de energia. É a largura desta faixa que determina se o material é semicondutor. Os materiais isolantes têm faixa proibida da ordem de 6,0 eV já os semicondutores apresentam faixa da ordem 1 eV. (WENDLING, 2011)

Cada célula solar é constituída de uma camada fina do tipo n e outra de maior espessura do tipo p. Separadamente ambas são eletricamente neutras, mas

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ao serem unidas, exatamente na junção pn, gera-se um campo elétrico devido aos elétrons do silício tipo n que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo p. A figura 03 mostra um esquema do que ocorre em uma junção pn quando ela é iluminada. Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica os fótons constituintes de energia E = hf, onde h é constante de Planck e f a frequência da luz podem ser absorvidos por elétrons na banda de valência. Se a energia do fóton for da mesma ordem das bandas, o elétron poderá alcançar a banca de condução e se movimentar livremente. A saída do elétron da banda de valência deixa uma lacuna na mesma. Com a incidência constante da luz, uma grande quantidade de par elétron-buraco é gerada pela absorção de fótons. Devido à presença de átomos dopantes, os elétrons da banda de condução se deslocarão para a região n e os buracos da banda de valência para a região p. Colocando-se um fio condutor ligando o lado p com o lado n, é estabelecida uma corrente elétrica no sentido da região de maior concentração de elétrons para o de menor concentração (ALVES &amp; DA SILVA , 2008).

Figura 03 Processo de absorção de energia do fóton pelo elétron que alcança a banda de condução. Os elétrons na banda de condução tendem a se concentrar no lado n e os buracos na banda de valência no lado p, devido à presença dos átomos dopantes.

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(Fonte: Usando um LED como fonte de energia. Física na Escola, 2008)

## 3. O painel montado

Iniciou-se a confecção do painel fotovoltaico pela escolha das células a serem utilizadas. Após uma pesquisa em sites de compras optou-se por células monocristalinas de custo reduzido e de fácil aquisição por meio virtual. No início de 2016 cada célula custava entre R$2,00 e foi adquirido um lote com dez células ao custo total de R$ 20,00. A tabela 01 apresenta as características técnicas das células adquiridas.

Tabela 01: Especificações das células utilizadas na montagem do painel.

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Para o circuito externo as placas adquiriu-se um pequeno motor de 3V ao custo de R$ 6,00, um metro de fio de cobre de 7,5mm de diâmetro de R$ 3,00, dois bornes para pino tipo banana com custo de R$ 4,30 e dois pinos tipo banana ao custo de R$ 4,20. Para a visualização do funcionamento do circuito colocou-se uma pequena hélice de papelão no eixo do motor, sem custo adicional.

Após a aquisição dos materiais foi escolhido o tipo de associação a ser utilizada para a alimentação do motor. Como cada célula produz uma tensão baixa, em torno de 0,5V, foram associadas quatro células com tensão de saída de 0,5 V e corrente efetiva de 25 mA. Após a soldagem das placas acoplou-se aos terminais do módulo obtido o fio de 30 cm de fio de 7,5 mm para o circuito externo. A figura 04 mostra o painel após este processo.

Figura 04: Associação de células soldadas em paralelo.

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(Fonte: Foto fornecida pelos autores)

Devido a fragilidade das células, o módulo foi colocado sobre uma placa de madeira e revestido com uma lâmina de vidro de 3mm para evitar danos mecânicos e contaminação durante o manuseio. O revestimento teve um custo de R$ 5,50. Por último fixou-se no fio, os bornes e pinos tipo banana na saída do motor e a pequena hélice de cartolina no seu eixo. A figura 05 apresenta o painel obtido após o revestimento e acoplamento de terminais para o motor.

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Figura 04:Módulo fotovoltaico com terminais elétricos para alimentação de circuito externo.

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(Fonte: Foto fornecida pelos autores)

Após a montagem testou-se o módulo com luz solar e artificial. O painel apresentou um funcionamento satisfatório com a rotação da hélice proporcional à intensidade da luz incidente e à inclinação do painel em relação aos raios luminosos. Este permite medidas de intensidade da tensão e corrente elétrica estabelecida durante o processo de conversão. Apresenta a possibilidade de acoplamento de vários elementos elétricos ou eletrônicos como pequenas lâmpadas, led e outros componentes de baixa corrente ampliando as suas possibilidades didáticas. A figura 05 mostra o módulo em funcionamento em um dia ensolarado.

Figura 05: Painel fotovoltaico montado e em funcionamento com luz solar. (FONTE: Foto fornecida pelos autores)

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## 4. Conclusão e Perspectiva

O custo por painel foi R$ 31,00 que comparado com os similares comercializados por empresas de materiais didáticos, custando em torno de R$ 400,00, pode ser considerado reduzido. É um material versátil, de fácil montagem, podendo ser utilizado em diversos níveis de ensino, e variados temas, por exemplo, corrente elétrica, conversão de energia, diferença de potencial, teoria corpuscular da luz, semicondutores, energia renovável. Os materiais utilizados são de fácil aquisição em sites de compras e lojas de eletrônica tornando a sua reprodução possível em qualquer escola. A corrente gerada pelo módulo é baixa não apresentando risco, podendo ser medida com um multímetro comum. Adicionalmente o painel permite análise dos fatores determinantes da conversão fotovoltaica, a intensidade da luz incidente, a inclinação dos raios solares sobre a área do equipamento. Vale salientar que o módulo permite o acoplamento não só do motor elétrico mais qualquer componente eletrônico de baixa voltagem, permitindo a demonstração de conversão de energia solar em outras formas como luminosa através de uma lâmpada, um conjunto de leds ou mesmo de calor através de um pequeno resistor. Resta agora elaboração de atividades didáticas e aplicá-las em sala de aula o que será um teste ao equipamento elaborado e sua eficácia como instrumento de ensino. Em alguns eventos de ensino onde este foi apresentado para estudantes de graduação, professores e alunos de ensino médio, há sempre um impacto positivo do funcionamento do motor sem pilhas ou baterias acopladas despertando para ação das células fotovoltaicas e da física de semicondutores.

## 5. Referências

ALVES, E. G; DA SILVA; Usando um LED como fonte de energia. Física na Escola, v.9, n.1, 2008.

MACHADO, C.; MIRANDA, F. Energia Solar Fotovoltaica: Uma breve revisão. Revista virtual de química. Niterói, RJ, vol. 7, n. 1, p. 126-143, 14, out. 2014.

Villalva, M.; Gazolli, J. Energia Solar Fotovoltaica: conceitos e aplicações. São Paulo: Erica, 2012.

WENDLING,M. Semicondutores: conceitos básicos. 2011. Disponível em http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/1--semicondutores.pdf. Acesso em: 10/01/2016.

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