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El término «fotovoltaico» se comenzó a usar en Reino Unido en el año 1849.[21]​ Proviene del griego φώς: phos, que significa «luz», y de -voltaico, que proviene del ámbito de la electricidad, en honor al físico italiano Alessandro Volta.[nota 1]​.

El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez unos diez años antes, en 1839, por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel,[22]​[23]​ pero la primera célula solar no se fabricó hasta 1883. Su creador fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio semiconductor con pan de oro para formar la unión. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia menor del 1 %, pero demostró de forma práctica que, efectivamente, producir electricidad con luz era posible.[24]​ Los estudios realizados en el siglo por Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla y Heinrich Hertz sobre inducción electromagnética, fuerzas eléctricas y ondas electromagnéticas, y sobre todo, el trabajo realizado por Albert Einstein en 1905, por el cual le fue otorgado el premio Nobel en 1921, proporcionaron la base teórica y práctica del efecto fotoeléctrico,[25]​ que es el fundamento de la conversión de energía solar en electricidad.

Princípio de funcionamento

Quando um semicondutor dopado é exposto à radiação eletromagnética, um fóton incidente atinge um elétron e o elimina, criando um buraco no átomo. Normalmente, o elétron rapidamente encontra outra lacuna para preencher novamente, e a energia fornecida pelo fóton é, portanto, dissipada na forma de calor. O princípio de uma célula fotovoltaica é forçar os elétrons e buracos a se moverem em direção ao lado oposto do material em vez de simplesmente se recombinarem nele: assim, uma diferença de potencial, e portanto de tensão, será produzida entre as duas partes do material, como ocorre em uma bateria.

Para isso, é criado um campo elétrico permanente, através de uma junção pn, entre duas camadas dopadas respectivamente, p e n “Dopagem (semicondutores)”). Nas células de silício, que são mais utilizadas, existem, portanto:

• - A camada superior da célula, que é composta por silício dopado tipo n#doping_type_n_and_type_p "Doping (semicondutores)").[nota 2]​ Nesta camada, há um número maior de elétrons livres do que em uma camada de silício puro, daí o nome n-doping, negativo. O material permanece eletricamente neutro, uma vez que tanto os átomos de silício quanto os do material dopante são neutros: mas a rede cristalina tem uma presença global maior de elétrons do que em uma rede de silício puro.

• - A camada inferior da célula, que é composta de silício dopado com p "Dopagem (semicondutores)").[nota 3]​ Esta camada possui, portanto, uma quantidade média menor de elétrons livres do que uma camada de silício puro. Os elétrons estão ligados à rede cristalina que, consequentemente, é eletricamente neutra, mas possui lacunas, positivas (p). A condução elétrica é garantida por esses portadores de carga, que se movem por todo o material.

No momento da criação da junção p-n, os elétrons livres da camada n entram instantaneamente na camada p e se recombinam com lacunas na região p. Existirá, portanto, durante toda a vida da junção, uma carga positiva na região n ao longo da junção (porque faltam elétrons) e uma carga negativa na região p ao longo da junção (porque os buracos desapareceram); O conjunto forma a “Zona de Carga Espacial” (ZCE) e existe um campo elétrico entre os dois, de n a p. Este campo elétrico faz do ZCE um diodo, que só permite o fluxo de corrente em uma direção: os elétrons podem se mover da região p para a n, mas não na direção oposta e pelo contrário os buracos só passam de n para p.

Em operação, quando um fóton expulsa um elétron da matriz, criando um elétron livre e um buraco, sob o efeito desse campo elétrico cada um vai na direção oposta: os elétrons se acumulam na região n (para se tornar o pólo negativo), enquanto os buracos se acumulam na região dopada com p (que se torna o pólo positivo). Este fenômeno é mais eficaz no CEZ, onde quase não há portadores de carga (elétrons ou buracos), uma vez que são anulados, ou nas imediações do CEZ: quando um fóton cria um par elétron-buraco, eles são separados e é improvável que encontrem seu oposto, mas se a criação ocorrer em um local mais distante da junção, o elétron (transformado em um buraco) mantém uma grande oportunidade de se recombinar antes de atingir a zona n. Mas o CEZ é necessariamente muito fino, por isso não é útil dar uma grande espessura à célula.[nota 4]​ Na verdade, a espessura da camada n é muito pequena, uma vez que esta camada é basicamente necessária apenas para criar o CEZ que faz a célula funcionar. Por outro lado, a espessura da camada p é maior: depende de um compromisso entre a necessidade de minimizar as recombinações elétron-buraco e, pelo contrário, permitir a captura do maior número possível de fótons, para os quais é necessária uma certa espessura mínima.

Em suma, uma célula fotovoltaica equivale a um gerador de energia ao qual foi adicionado um diodo. Para conseguir uma célula solar prática, é necessário também adicionar contactos eléctricos (que permitem extrair a energia gerada), uma camada que protege a célula mas permite a passagem da luz, uma camada anti-reflexo "Reflexão (física)") para garantir a correcta absorção dos fotões, e outros elementos que aumentam a sua eficiência.

Primeira célula solar moderna

O engenheiro americano Russell Ohl patenteou a moderna célula solar em 1946,[26]​ embora outros pesquisadores já tivessem avançado em seu desenvolvimento anteriormente: o físico sueco Sven Ason Berglund havia patenteado um método em 1914 que tentava aumentar a capacidade das células fotossensíveis, enquanto, em 1931, o engenheiro alemão Bruno Lange havia desenvolvido uma fotocélula usando seleneto de prata em vez de óxido de cobre.[27]​.

A era moderna da tecnologia solar não chegou até 1954, quando os pesquisadores americanos Gerald Pearson, Calvin S. Fuller e Daryl Chapin, dos Laboratórios Bell, descobriram acidentalmente que os semicondutores de silício dopados "Doping (semicondutores)") com certas impurezas eram muito sensíveis à luz. Esses avanços contribuíram para a fabricação da primeira célula solar comercial. Eles usaram uma junção difusa de silício p-n, com uma conversão de energia solar de aproximadamente 6%, uma conquista comparada às células de selênio que mal chegava a 0,5%.[29]​[30]​.

Mais tarde, o americano Les Hoffman, presidente da empresa Hoffman Electronics, através da sua divisão de semicondutores, foi um dos pioneiros na fabricação e produção em larga escala de células solares. Entre 1954 e 1960, Hoffman conseguiu melhorar a eficiência das células fotovoltaicas em até 14%, reduzindo os custos de fabricação para alcançar um produto que pudesse ser comercializado.[31]​.

Primeiras aplicações: energia solar espacial

No início, as células fotovoltaicas eram utilizadas de forma minoritária para alimentar brinquedos e em outros usos menores, pois o custo de produção de eletricidade a partir dessas células primitivas era muito alto: em termos relativos, uma célula que produzisse um watt de energia a partir da luz solar poderia custar US$ 250, em comparação com os dois ou três dólares que custa um watt de uma termelétrica a carvão.

As células fotovoltaicas foram resgatadas do esquecimento graças à corrida espacial e à sugestão de utilizá-las em um dos primeiros satélites colocados em órbita ao redor da Terra. A União Soviética lançou o seu primeiro satélite espacial em 1957, e os Estados Unidos o seguiriam um ano depois. A primeira espaçonave a utilizar painéis solares foi o satélite americano Vanguard 1, lançado em março de 1958 (hoje o satélite mais antigo ainda em órbita). Seu projeto utilizou células solares criadas por Peter Iles em um esforço liderado pela empresa Hoffman Electronics.[32]​ O sistema fotovoltaico permitiu continuar transmitindo por sete anos enquanto as baterias químicas "Bateria (eletricidade)") acabavam em apenas 20 dias.[33]​.

Em 1959, os Estados Unidos lançaram o Explorer 6. Este satélite tinha uma série de módulos solares instalados, apoiados em estruturas externas semelhantes a asas, compostas por 9.600 células solares da empresa Hoffman. Este tipo de dispositivo tornou-se mais tarde uma característica comum de muitos satélites. Houve algum ceticismo inicial sobre como o sistema funcionaria, mas na prática as células solares provaram ser um grande sucesso e logo foram incorporadas no projeto de novos satélites.

Alguns anos depois, em 1962, o Telstar "Telstar (satélite)") tornou-se o primeiro satélite de comunicações equipado com células solares, capaz de fornecer uma potência de 14 W.[34] Este marco gerou grande interesse na produção e lançamento de satélites geoestacionários para o desenvolvimento das comunicações, nos quais a energia viria de um dispositivo de captação da luz solar. Foi um desenvolvimento crucial que estimulou a pesquisa por parte de alguns governos e impulsionou a melhoria dos painéis fotovoltaicos.[35]​

Gradualmente, a indústria espacial optou pela utilização de células solares de arseneto de gálio (GaAs), devido à sua maior eficiência em comparação às células de silício. Em 1970, a primeira célula solar heteroestruturada de arsenieto de gálio altamente eficiente foi desenvolvida na União Soviética por Zhorés Alfiorov e sua equipe de pesquisa.[36]​[37]​.

A partir de 1971, as estações espaciais soviéticas do programa Salyut foram os primeiros complexos orbitais tripulados a obter sua energia a partir de células solares, anexadas a estruturas nas laterais do módulo orbital,[38]​ assim como a estação norte-americana Skylab, alguns anos depois.[39]​.

Na década de 1970, após a primeira crise do petróleo, o Departamento de Energia dos Estados Unidos e a agência espacial NASA começaram a estudar o conceito de energia solar no espaço, que visava fornecer energia terrestre através de satélites espaciais. Em 1979 propuseram uma frota de satélites em órbita geoestacionária, cada um dos quais mediria 5 x 10 km e produziria entre 5 e 10 GW. A construção envolveu a criação de uma grande infraestrutura espacial onde centenas de astronautas trabalhariam continuamente. Esse gigantismo era típico de uma época em que se planejava a criação de grandes cidades espaciais. Deixando de lado as dificuldades técnicas, a proposta foi rejeitada em 1981 porque era muito cara.[40] Em meados da década de 1980, com os preços do petróleo novamente baixos, o programa foi cancelado.[41]

Primeiras aplicações terrestres

Desde o seu aparecimento na indústria aeroespacial, onde se tornou o meio mais confiável de fornecimento de energia elétrica em veículos espaciais,[59]​ a energia solar fotovoltaica desenvolveu um grande número de aplicações terrestres. A primeira instalação comercial deste tipo foi realizada em 1966, no farol da Ilha Ogami (Japão), permitindo a substituição do uso do gás de flare por uma fonte elétrica renovável e autossuficiente. Foi o primeiro farol do mundo alimentado por energia solar fotovoltaica e foi crucial para demonstrar a viabilidade e potencial desta fonte de energia.[60]​.

As melhorias ocorreram lentamente ao longo das duas décadas seguintes, e o único uso generalizado foi em aplicações espaciais, onde a sua relação potência-peso era maior do que a de qualquer tecnologia concorrente. No entanto, este sucesso foi também a razão do seu lento crescimento: o mercado aeroespacial estava disposto a pagar qualquer preço para obter as melhores células possíveis, pelo que não havia razão para investir em soluções de menor custo se isso reduzisse a eficiência. Em vez disso, o preço das células foi determinado em grande parte pela indústria de semicondutores; A sua migração para a tecnologia de circuitos integrados na década de 1960 levou à disponibilidade de barras maiores a preços relativamente mais baixos. À medida que o seu preço caiu, o preço das células fotovoltaicas resultantes caiu na mesma medida. No entanto, a redução de custos associada a esta crescente popularização da energia fotovoltaica foi limitada e, em 1970, o custo das células solares ainda era estimado em US$ 100 por watt ($/Wp).[61]​.

Redução de preço

No final da década de 1960, o químico industrial americano Elliot Berman estava pesquisando um novo método para produzir a matéria-prima silício a partir de um processo de fita. No entanto, encontrou pouco interesse no seu projeto e não conseguiu obter o financiamento necessário para o seu desenvolvimento. Mais tarde, num encontro casual, foi apresentado a uma equipa da petrolífera Exxon que procurava projetos estratégicos para 30 anos no futuro. O grupo concluiu que a energia eléctrica seria muito mais cara no ano 2000 e considerou que este aumento de preço tornaria mais atractivas novas fontes alternativas de energia, sendo a energia solar a mais interessante entre estas. Em 1969, Berman ingressou no laboratório da Exxon em Linden, Nova Jersey, chamado Solar Power Corporation (SPC).[61]​.

Seu esforço foi inicialmente direcionado à análise do mercado potencial para identificar os possíveis usos que existiam para esse novo produto, e ele rapidamente descobriu que se o custo por watt fosse reduzido de US$ 100/Wp para cerca de US$ 20/Wp, surgiria uma demanda significativa. Sabendo que o conceito de “fita de silício” poderia levar anos para ser desenvolvido, a equipe começou a procurar maneiras de reduzir o preço para US$ 20/Wp usando materiais existentes. A constatação de que as células existentes se baseavam no processo padrão de fabricação de semicondutores foi um primeiro avanço, mesmo que não fosse um material ideal. O processo começou com a formação de um lingote de silício, que foi cortado transversalmente em discos chamados wafers. Os wafers foram então polidos e, em seguida, para uso como células, foram revestidos com uma camada anti-reflexo. Berman percebeu que os wafers cortados já tinham uma superfície frontal anti-reflexo perfeitamente boa e, ao imprimir os eletrodos diretamente nesta superfície, duas etapas importantes no processo de fabricação da célula foram eliminadas.[61]​.

Sua equipe também explorou outras maneiras de melhorar a montagem de células em arrays, eliminando os materiais caros e a fiação manual usados ​​anteriormente em aplicações espaciais. A solução consistiu em utilizar circuitos impressos no verso, plástico acrílico na frente e cola de silicone entre eles, embutindo as células. Berman percebeu que o silício existente no mercado já era “bom o suficiente” para uso em células solares. As pequenas imperfeições que poderiam arruinar um lingote de silício (ou wafer individual) para uso em eletrônica teriam pouco efeito em aplicações solares. As células fotovoltaicas poderiam ser fabricadas a partir de materiais descartados pelo mercado eletrônico, o que resultaria em uma grande melhoria em seu preço.[61]​.

Colocando todas essas mudanças em prática, a empresa começou a comprar silício rejeitado a um custo muito baixo dos fabricantes existentes. Usando os maiores wafers disponíveis, o que reduziu a quantidade de fiação para uma determinada área do painel, e empacotando-os em painéis com seus novos métodos, em 1973 a SPC estava produzindo painéis por US$ 10/Wp e vendendo-os por US$ 20/Wp, diminuindo o preço dos módulos fotovoltaicos em um quinto em apenas dois anos.[61]​.

O mercado da navegação marítima

A SPC começou a entrar em contato com empresas fabricantes de boias de navegação oferecendo o produto, mas constatou uma situação curiosa. A principal empresa do setor era a Automatic Power, fabricante de baterias descartáveis. Percebendo que as células solares poderiam prejudicar os negócios e os lucros produzidos pelo setor de baterias, a Automatic Power comprou um protótipo solar da Hoffman Electronics para acabar encurralando-o. Não vendo nenhum interesse da Automatic Power, a SPC então recorreu à Tideland Signal, outra empresa de fornecimento de baterias formada por ex-gerentes da Automatic Power.[61]​ A Tideland trouxe ao mercado uma bóia alimentada por energia fotovoltaica e logo estava arruinando os negócios da Automatic Power.

O momento não poderia ter sido melhor, o rápido aumento do número de plataformas petrolíferas offshore e outras instalações de carregamento produziu um enorme mercado entre as empresas petrolíferas. Como o Tideland teve sucesso, a Automatic Power começou então a adquirir seu próprio fornecimento de painéis solares fotovoltaicos. Eles encontraram Bill Yerkes da Solar Power International (SPI) na Califórnia, que procurava um mercado para vender seu produto. A SPI logo foi adquirida por um de seus maiores clientes, a gigante petrolífera ARCO, formando a ARCO Solar. A fábrica da ARCO Solar em Camarillo (Califórnia) foi a primeira dedicada à construção de painéis solares, e esteve em operação contínua desde a sua compra pela ARCO em 1977 até 2011, quando foi fechada pela empresa SolarWorld.

Esta situação foi combinada com a crise do petróleo de 1973. As empresas petrolíferas tinham enormes fundos à sua disposição naquela altura devido aos seus enormes rendimentos durante a crise, mas também estavam muito conscientes de que o seu sucesso futuro dependeria de alguma outra fonte de energia. Nos anos seguintes, grandes petrolíferas iniciaram a criação de uma série de empresas de energia solar, e foram durante décadas as maiores produtoras de painéis solares. As empresas ARCO, Exxon, Shell, Amoco (posteriormente adquirida pela BP) e Mobil mantiveram grandes divisões solares durante as décadas de 1970 e 1980. As empresas de tecnologia também fizeram investimentos significativos, incluindo General Electric, Motorola, IBM, Tyco e RCA.[62]

Aperfeiçoando a tecnologia

Nas décadas que se seguiram aos avanços de Berman, as melhorias reduziram os custos de produção para menos de 1 dólar/Wp, com preços abaixo de 2 dólares/Wp para todo o sistema fotovoltaico. O preço dos restantes elementos de uma instalação fotovoltaica representa agora um custo superior ao dos próprios painéis.[63]​.

À medida que a indústria de semicondutores se desenvolveu em direção a lingotes cada vez maiores, equipamentos mais antigos tornaram-se disponíveis a preços reduzidos. As células cresceram em tamanho quando esses equipamentos mais antigos foram disponibilizados no mercado excedente. Os primeiros painéis solares ARCO foram equipados com células de 2 a 4 polegadas (51 a 100 mm) de diâmetro. Os painéis na década de 1990 e início de 2000 geralmente incorporavam células de 5 polegadas (125 mm) e, desde 2008, quase todos os novos painéis usam células de 6 polegadas (150 mm). Além disso, a introdução generalizada de televisores de tela plana no final dos anos 1990 e início dos anos 2000 levou à ampla disponibilidade de grandes folhas de vidro de alta qualidade, que são usadas na parte frontal dos painéis.[65]​.

Em termos das próprias células, houve apenas uma grande mudança. Durante a década de 1990, as células de polissilício tornaram-se cada vez mais populares.[64]​ Essas células oferecem menos eficiência do que aquelas feitas de monossilício, mas são cultivadas em grandes cubas que reduzem muito o custo de produção.[64]​ Em meados da década de 2000, o polissilício dominava o mercado de painéis de baixo custo.[64]​.

La producción industrial a gran escala de paneles fotovoltaicos despegó en la década de 1980, y entre sus múltiples usos se pueden destacar:.

Telecomunicações e sinalização

A energia solar fotovoltaica é ideal para aplicações de telecomunicações, incluindo, por exemplo, centrais telefônicas locais, antenas de rádio e televisão, estações repetidoras de micro-ondas e outros tipos de links de comunicação eletrônica. Isto porque, na maioria das aplicações de telecomunicações, são utilizadas baterias de armazenamento e a instalação elétrica é normalmente realizada em corrente contínua (DC). Em terrenos acidentados e montanhosos, os sinais de rádio e televisão podem sofrer interferências ou ser refletidos devido a terrenos ondulados. Nestes locais são instalados transmissores de baixa potência (LPT) para receber e retransmitir o sinal entre a população local.[66]​.

As células fotovoltaicas também são utilizadas para alimentar sistemas de comunicações de emergência "Emergência (desastre)"), por exemplo em postes SOS (Telefone de Emergência) em estradas, sinalização ferroviária, balizas para proteção aeronáutica, estações meteorológicas ou sistemas de monitoramento de dados ambientais e qualidade da água.

Dispositivos isolados

A redução do consumo de energia dos circuitos integrados tornou possível, no final da década de 1970, a utilização de células solares como fonte de eletricidade em calculadoras, como a Royal Solar 1, a Sharp EL-8026 ou a Teal Photon.[67]​.

Outros dispositivos fixos que utilizam energia fotovoltaica também tiveram seu uso aumentado nas últimas décadas, em locais onde o custo de conexão à rede elétrica ou de utilização de baterias descartáveis ​​é proibitivamente caro. Essas aplicações incluem, por exemplo, lâmpadas solares, iluminação pública solar, bombas de água, parquímetros,[68][69]​ telefones de emergência, compactadores de lixo,[70]​ sinais de trânsito temporários ou permanentes, estações de recarga[71][72]​ ou sistemas de vigilância remota.

Eletrificação rural

Em ambientes isolados, onde é necessária pouca energia elétrica e o acesso à rede é difícil, os painéis fotovoltaicos têm sido utilizados como uma alternativa economicamente viável há décadas. Para compreender a importância desta possibilidade, vale a pena ter em conta que aproximadamente um quarto da população mundial ainda não tem acesso à energia elétrica.[73]​.

Nos países em desenvolvimento, muitas aldeias (população rural) estão localizadas em áreas remotas, a vários quilómetros da rede eléctrica mais próxima. Devido a isso, a energia fotovoltaica está sendo cada vez mais incorporada para fornecer eletricidade a residências ou instalações médicas em áreas rurais. Por exemplo, em zonas remotas da Índia, um programa de iluminação rural forneceu iluminação utilizando lâmpadas LED alimentadas por energia solar para substituir lâmpadas de querosene. O preço das lâmpadas solares foi aproximadamente o mesmo que o custo do fornecimento de querosene durante alguns meses.[74]​ Cuba e outros países latino-americanos estão a trabalhar para fornecer energia fotovoltaica em áreas distantes do fornecimento de energia eléctrica convencional.[75]​ Estas são áreas onde os benefícios sociais e económicos para a população local oferecem uma excelente razão para instalar painéis fotovoltaicos, embora tais iniciativas tenham sido tipicamente relegadas a esforços humanitários pontuais.[76]​.

Sistemas de bombeamento

A energia fotovoltaica também é usada para alimentar instalações de bombeamento para sistemas de irrigação, água potável em áreas rurais e bebedouros para gado,[77]​[78]​ ou para sistemas de dessalinização de água.[61]​.

Os sistemas de bombeamento fotovoltaicos (assim como os alimentados por energia eólica) são muito úteis onde o acesso à rede eléctrica geral não é possível ou é proibitivamente caro.[79]​ O seu custo é geralmente mais barato devido aos seus custos de operação e manutenção mais baixos, e têm um menor impacto ambiental do que os sistemas de bombeamento alimentados por motores de combustão interna, que também têm menor fiabilidade.[80]​[81]​.

As bombas utilizadas podem ser de corrente alternada (CA) e de corrente contínua (CC). Normalmente são utilizados motores de corrente contínua para aplicações de pequeno e médio porte de até 3 kW de potência, enquanto para aplicações maiores são utilizados motores de corrente alternada acoplados a um inversor "Inversor (eletrônico)") que transforma a corrente contínua proveniente dos painéis fotovoltaicos para utilização. Isso permite que os sistemas sejam dimensionados de 0,15 kW a mais de 55 kW de potência, que podem ser usados ​​para fornecer irrigação complexa ou sistemas de armazenamento de água.[82][83]​.

Sistemas híbridos solar-diesel

Devido à diminuição dos custos da energia solar fotovoltaica, está também a expandir-se a utilização de sistemas híbridos solar-diesel, que combinam esta energia com geradores a diesel para produzir eletricidade de forma contínua e estável.

Devido à sua viabilidade económica (transportar o gasóleo até ao ponto de consumo é normalmente caro) em muitos casos os geradores antigos são substituídos por fotovoltaicos, enquanto as novas instalações híbridas são concebidas de forma a permitirem a utilização do recurso solar sempre que estiver disponível, minimizando a utilização de geradores, reduzindo assim o impacto ambiental da produção de eletricidade em comunidades remotas e em instalações que não estão ligadas à rede elétrica. Um exemplo disso são as empresas de mineração,[84]​[86]​ cujas operações normalmente estão localizadas em campos abertos, longe de grandes centros populacionais. Nestes casos, a utilização combinada da energia fotovoltaica permite reduzir significativamente a dependência do gasóleo, permitindo poupanças de até 70% no custo da energia.[87]​.

Este tipo de sistema também pode ser utilizado em combinação com outras fontes de geração de energia renovável, como a energia eólica.[88]​.

Transporte e navegação marítima

Embora a energia fotovoltaica ainda não seja amplamente utilizada para fornecer tração no transporte, ela está sendo cada vez mais utilizada para fornecer energia auxiliar em navios e carros. Alguns veículos são equipados com ar condicionado alimentado por painéis fotovoltaicos para limitar a temperatura interior em dias quentes,[89]​ enquanto outros protótipos híbridos os utilizam para recarregar suas baterias sem a necessidade de conexão à rede elétrica.[90]​[91]​ A possibilidade prática de projetar e fabricar veículos movidos a energia solar, bem como barcos[92]​[93]​ e aviões,[94]​ foi amplamente demonstrada, sendo o transporte rodoviário considerado o mais viável para o fotovoltaico.[95]​.

Solar Impulse é um projeto dedicado ao desenvolvimento de uma aeronave movida exclusivamente por energia solar fotovoltaica. O protótipo pode voar durante o dia alimentado pelas células solares que cobrem suas asas, enquanto carrega as baterias que lhe permitem permanecer no ar à noite.[96][97]​.

A energia solar também é comumente usada em faróis, bóias e balizas de navegação marítima, veículos recreativos, sistemas de carregamento para acumuladores elétricos em navios e sistemas de proteção catódica.[61]​ A recarga de veículos elétricos está se tornando cada vez mais importante.[95]​.

Construindo Energia Fotovoltaica Integrada

Muitas instalações fotovoltaicas estão frequentemente localizadas em edifícios: geralmente estão localizadas em um telhado existente ou estão integradas em elementos da própria estrutura do edifício, como claraboias, claraboias ou fachadas.[98]​.

Alternativamente, um sistema fotovoltaico também pode estar localizado fisicamente separado do edifício, mas ligado à instalação eléctrica do edifício para fornecer energia. Em 2010, mais de 80% dos 9.000 MW de energia fotovoltaica que a Alemanha tinha em operação na altura tinham sido instalados em telhados.[99]​.

A energia fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV) está sendo cada vez mais incorporada como fonte primária ou secundária de energia elétrica em novos edifícios domésticos e industriais,[100]​ e até mesmo em outros elementos arquitetônicos, como pontes.[101]​ Telhas com células fotovoltaicas integradas também são bastante comuns neste tipo de integração.

De acordo com um estudo publicado em 2011, o uso de imagens térmicas mostrou que os painéis solares, desde que haja um vão aberto através do qual o ar possa circular entre os painéis e o telhado, proporcionam um efeito de resfriamento passivo nos edifícios durante o dia e também ajudam a manter o calor acumulado durante a noite.[102]​.

Fotovoltaica de conexão à rede

Uma das principais aplicações da energia solar fotovoltaica, mais desenvolvida nos últimos anos, consiste em centrais ligadas à rede para fornecimento de eletricidade,[103]​ bem como em sistemas fotovoltaicos de autoconsumo, de potência geralmente inferior, mas também ligados à rede elétrica.

energia fotovoltaica flutuante

Embora os painéis solares sejam geralmente instalados em terra, é possível instalá-los flutuando nas águas de reservatórios ou lagos calmos.[104]​ Embora seja mais caro, tem muitas vantagens: reduz perdas por evaporação da água do reservatório, melhora sua qualidade (porque crescem menos algas),[105]​ a instalação é mais simples, o resfriamento dos próprios painéis é facilitado (o que aumenta a energia que eles produzem)[104]​ e é uma forma alternativa de reservatórios para usinas hidrelétricas geram eletricidade, sem desperdiçar a água que armazenam ou ocupar terras adicionais.[105]​.

Una planta solar fotovoltaica cuenta con distintos elementos que permiten su funcionamiento, como son los paneles fotovoltaicos para la captación de la radiación solar, y los inversores "Inversor (electrónica)") para la transformación de la corriente continua en corriente alterna.[106]​ Existen otros, los más importantes se mencionan a continuación:.

Painéis solares fotovoltaicos

Geralmente, um módulo ou painel fotovoltaico consiste em uma associação de células, encapsuladas em duas camadas de EVA (etileno-acetato de vinila), entre uma folha frontal de vidro e uma camada posterior de um polímero termoplástico (tedlar é frequentemente usado) ou outra folha de vidro quando se deseja obter módulos com algum grau de transparência. Muito frequentemente este conjunto é enquadrado numa estrutura de alumínio anodizado com o objectivo de aumentar a resistência mecânica do conjunto e facilitar a ancoragem. do módulo às estruturas de suporte.[107]​.

As células mais utilizadas em painéis fotovoltaicos são as de silício, podendo ser divididas em três subcategorias:

• - As células de silício monocristalino são constituídas por um único cristal de silício, normalmente fabricado pelo processo Czochralski.[108]​ Este tipo de célula possui uma cor azul escura uniforme.

• - As células de silício policristalino (também chamadas multicristalinas) são constituídas por um conjunto de cristais de silício, o que explica porque seu desempenho é um pouco inferior ao das células monocristalinas.[64]​ Elas são caracterizadas por uma cor azul mais intensa.

• - Células de silício amorfo. Elas são menos eficientes que as células de silício cristalino, mas também mais baratas. Este tipo de célula é, por exemplo, aquela usada em aplicações solares, como relógios ou calculadoras.[109]​.

A curva corrente versus tensão de um módulo nos fornece informações úteis sobre seu desempenho elétrico.[110] Os processos de fabricação muitas vezes causam diferenças nos parâmetros elétricos de diferentes módulos fotovoltaicos, mesmo em células do mesmo tipo. Portanto, somente a medição experimental da curva I – V permite estabelecer com precisão os parâmetros elétricos de um dispositivo fotovoltaico. Esta medição fornece informações muito relevantes para o projeto, instalação e manutenção de sistemas fotovoltaicos. Normalmente, os parâmetros elétricos dos módulos fotovoltaicos são medidos por testes internos. No entanto, os testes ao ar livre têm vantagens importantes, tais como não é necessária nenhuma fonte de luz artificial cara, não há limitação no tamanho das amostras e a iluminação das amostras é mais homogênea.

O desempenho de um módulo fotovoltaico (FV) depende das condições ambientais, principalmente da irradiância incidente global G no plano do módulo. Porém, a temperatura T da junção p – n também influencia os principais parâmetros elétricos: a corrente de curto-circuito ISC, a tensão de circuito aberto VOC e a potência máxima Pmax. Em geral, sabe-se que o VOC apresenta uma correlação inversa significativa com T, enquanto para o ISC essa correlação é direta, porém mais fraca, portanto esse aumento não compensa a diminuição do VOC. Como consequência, Pmax diminui à medida que T aumenta. Esta correlação entre a potência de saída de uma célula solar e a temperatura de trabalho de sua junção depende do material semicondutor e se deve à influência de T na concentração, vida útil e mobilidade dos portadores intrínsecos, ou seja, elétrons e buracos, dentro da célula fotovoltaica.

A sensibilidade à temperatura é geralmente descrita por coeficientes de temperatura, cada um dos quais expressa a derivada do parâmetro ao qual se refere em relação à temperatura da junção. Os valores destes parâmetros podem ser encontrados em qualquer ficha técnica de módulo fotovoltaico; Eles são os seguintes:

• β: Coeficiente de variação do VOC em relação a T, dado por ∂VOC/∂T.

• α: Coeficiente de variação do ISC em relação a T, dado por ∂ISC/∂T.

• δ: Coeficiente de variação de Pmax em relação a T, dado por ∂Pmax/∂T.

Técnicas para estimar esses coeficientes a partir de dados experimentais podem ser encontradas na literatura[111].

Investidores

A corrente elétrica contínua fornecida pelos módulos fotovoltaicos pode ser transformada em corrente alternada através de um dispositivo eletrónico denominado inversor "Inversor (eletrónica)")[106]​ e injetada na rede elétrica (para venda de energia) ou na rede interior (para autoconsumo).

O processo simplificado seria o seguinte:

• - A energia é gerada em baixas tensões (380-800 V) e corrente contínua.

• - É transformado com um inversor “Inversor (eletrônico)”) em corrente alternada.

• - Nas centrais com potência inferior a 100 kW, a energia é injetada diretamente na rede de distribuição em baixa tensão (400 V em trifásico ou 230 V em monofásico).

• - E para potências superiores a 100 kW, é utilizado um transformador que eleva a energia para média tensão (até 36 kV) e é injetada nas redes de transporte para posterior abastecimento.

Nas fases iniciais de desenvolvimento dos inversores fotovoltaicos, as exigências dos operadores das redes elétricas às quais estavam ligados apenas solicitavam o aporte de energia ativa e a desconexão do inversor da rede caso ultrapassasse determinados limites de tensão e frequência. Com o desenvolvimento progressivo destes equipamentos e a crescente importância das redes elétricas inteligentes, os inversores são hoje capazes de fornecer energia reativa e até mesmo proporcionar estabilidade à rede elétrica.[112]​[113]​.

rastreadores solares

A utilização de rastreadores com um ou dois eixos permite um aumento considerável da produção solar, cerca de 30% para os primeiros e mais 6% para os segundos, em locais com elevada radiação direta.[114]​[115]​.

Os rastreadores solares são bastante comuns em aplicações fotovoltaicas.[116] Existem vários tipos:

• - Em dois eixos: a superfície permanece sempre perpendicular ao Sol.

• - Sobre um eixo polar: a superfície gira sobre um eixo voltado para o sul e inclinada num ângulo igual à latitude. A rotação é ajustada de modo que a normal à superfície coincida sempre com o meridiano terrestre que contém o Sol.

• - Sobre um eixo azimutal: a superfície gira em torno de um eixo vertical, o ângulo da superfície é constante e igual à latitude. A rotação é ajustada de modo que a normal à superfície coincida sempre com o meridiano local que contém o Sol.

• - Sobre um eixo horizontal: a superfície gira sobre um eixo horizontal e está orientada na direção norte-sul. A rotação é ajustada de modo que a normal à superfície coincida sempre com o meridiano terrestre que contém o Sol.

Cabeamento

É o elemento que transporta a energia elétrica desde a sua geração, para sua posterior distribuição e transporte. Seu dimensionamento é determinado pelo critério mais restritivo entre a queda de tensão máxima admissível e a intensidade máxima admissível. O aumento das seções dos condutores obtidas como resultado dos cálculos teóricos proporciona vantagens adicionais, tais como:

• - Linhas mais descarregadas, o que prolonga a vida útil dos cabos.

• - Possibilidade de aumentar a potência da planta sem troca de driver.

• - Melhor resposta a possíveis curto-circuitos.

• - Melhoria do desempenho da instalação.

Centrais de concentração fotovoltaica

Outro tipo de tecnologia em usinas fotovoltaicas são aquelas que utilizam uma tecnologia de concentração chamada CPV (Fotovoltaica Concentrada)[117]​ para maximizar a energia solar recebida pela instalação, assim como em uma usina solar térmica. As instalações de concentração fotovoltaica estão localizadas em locais com elevada irradiação solar direta, como os países de ambas as margens do Mediterrâneo, Austrália, Estados Unidos, China, África do Sul, México, etc. Até 2006, estas tecnologias faziam parte do âmbito da investigação, mas nos últimos anos foram lançadas instalações maiores, como o ISFOC (Instituto de Sistemas Solares Fotovoltaicos Concentrados) em Puertollano (Castela-La Mancha) com 3 MW para fornecer eletricidade à rede elétrica. grade.[118]​[119][120]​.

A ideia básica da concentração fotovoltaica é a substituição do material semicondutor por material reflexivo ou refrator (mais barato). O grau de concentração pode atingir um fator de 1000,[117]​ de tal forma que, dada a pequena área superficial da célula solar utilizada, possa ser utilizada a tecnologia mais eficiente (junção tripla, por exemplo). Por outro lado, o sistema óptico introduz um fator de perda que recupera menos radiação do que a energia fotovoltaica plana. Isto, juntamente com a alta precisão dos sistemas de monitoramento, constitui a principal barreira a ser resolvida pela tecnologia de concentração.

O desenvolvimento de grandes centrais (acima de 1 MW) foi recentemente anunciado.[121] As usinas fotovoltaicas concentradas utilizam um rastreador de eixo duplo para permitir o aproveitamento máximo do recurso solar ao longo do dia.

Entre los años 2001 y 2016 se ha producido un crecimiento exponencial de la producción fotovoltaica, duplicándose aproximadamente cada dos años.[122]​ La potencia total fotovoltaica instalada en el mundo (conectada a red) ascendía a 16 gigavatios (GW) en 2008, 40 GW en 2010, 100 GW en 2012, 180 GW en 2014, 300 GW en 2016 y 500 GW en 2018.[123]​[124]​[125]​[126]​[127]​[9]​[10]​.

Históricamente, Estados Unidos lideró la instalación de energía fotovoltaica desde sus inicios hasta 1996, cuando su capacidad instalada alcanzaba los 77 MW, más que cualquier otro país hasta la fecha. En los años posteriores, fueron superados por Japón, que mantuvo el liderato hasta que a su vez Alemania la sobrepasó en 2005, manteniendo el liderato desde entonces. A comienzos de 2016, Alemania se aproximaba a los 40 GW instalados.[130]​ Sin embargo, por esas fechas China, uno de los países donde la fotovoltaica está experimentando un crecimiento más vertiginoso superó a Alemania, convirtiéndose desde entonces en el mayor productor de energía fotovoltaica del mundo.[130]​ Se espera que multiplique su potencia instalada actual hasta los 200 GW en 2020.[128]​[131]​[132]​.

Produção mundial

A capacidade total instalada já representa uma fração significativa do mix de eletricidade na União Europeia, cobrindo em média 3,5% da demanda de eletricidade e atingindo 7% em períodos de maior produção.[127]​ Em alguns países, como Alemanha,[133][134]​ Itália,[135][136][137][nota 5]​ Reino Unido[138]​ ou Espanha,[139]​ atinge máximos mais elevados. 10%, assim como no Japão[140]​ ou em alguns estados ensolarados dos Estados Unidos, como a Califórnia.[141]​ A produção anual de energia elétrica gerada por esta fonte de energia em todo o mundo foi equivalente em 2015 a cerca de 184 TWh, o suficiente para suprir as necessidades energéticas de milhões de residências e cobrir aproximadamente 1% da demanda global de eletricidade.[127]​.

China

A energia fotovoltaica tornou-se uma das maiores indústrias da República Popular da China. O país asiático é líder mundial em capacidade fotovoltaica, com uma potência instalada de mais de 170 GW no início de 2019.[142]​ Possui também cerca de 400 empresas fotovoltaicas, entre as quais se destacam Trina Solar, Jinko Solar e JA Solar, gigantes globais na fabricação de painéis solares. Em 2014, produziu aproximadamente metade dos produtos fotovoltaicos fabricados no mundo (China e Taiwan respondem juntos por mais de 60% de participação). A produção de painéis e células fotovoltaicas na China aumentou significativamente na última década: em 2001 mantinha uma quota de menos de 1% do mercado mundial, enquanto, ao mesmo tempo, o Japão e os Estados Unidos representavam mais de 70% da produção mundial. No entanto, a tendência inverteu-se e a China ultrapassa actualmente em muito o resto dos produtores.

A capacidade de produção de painéis solares na China praticamente quadruplicou entre 2009 e 2011, ultrapassando mesmo a procura global. Como resultado, a União Europeia acusou a indústria chinesa de praticar dumping, ou seja, vender os seus painéis a preços abaixo do custo, impondo tarifas à importação deste material.[143]​[144]​.

A instalação de energia fotovoltaica desenvolveu-se de forma espetacular no país asiático nos últimos anos, superando inclusive as previsões iniciais. Devido a este rápido crescimento, as autoridades chinesas foram forçadas a reavaliar a sua meta de energia fotovoltaica em diversas ocasiões.

A potência total instalada na China cresceu para 77 GW no final de 2016, depois de conectar 36 GW no ano passado, de acordo com as estatísticas oficiais do país. 2020 para mais de 200 GW.[147]​.

Este crescimento reflecte a queda abrupta dos custos da energia fotovoltaica, que actualmente começa a ser uma opção mais barata do que outras fontes de energia, tanto a preços retalhistas como comerciais. Fontes do governo chinês afirmaram que a energia fotovoltaica terá preços mais competitivos do que o carvão e o gás (proporcionando também maior independência energética) até ao final desta década.[148]​.

EUA

Desde 2010, os Estados Unidos são um dos países com maior atividade no mercado fotovoltaico, conta com grandes empresas do setor, como a First Solar ou a SolarCity, bem como inúmeras centrais de ligação à rede. No início de 2017, os Estados Unidos ultrapassaram 40 GW de energia fotovoltaica instalada,[149]​ suficiente para fornecer eletricidade a mais de 8 milhões de residências, depois de duplicar a sua capacidade solar em menos de dois anos.[150]​.

Embora os Estados Unidos não mantenham uma política energética nacional uniforme em todo o país em relação à energia fotovoltaica, muitos estados estabeleceram individualmente metas de energia renovável, incluindo a energia solar em diferentes proporções neste planejamento. Nesse sentido, o governador da Califórnia, Jerry Brown, assinou legislação exigindo que 33% da eletricidade do estado seja gerada por energia renovável até o final de 2020.[151] Estas medidas foram apoiadas pelo governo federal com a adoção do Crédito Fiscal ao Investimento (ITC), uma isenção fiscal criada em 2006 para promover o desenvolvimento de projetos fotovoltaicos, e que foi recentemente prorrogada até 2023.[152]​.

Um relatório privado[153]​ afirma que a energia solar fotovoltaica expandiu-se rapidamente nos últimos 8 anos, crescendo a uma média de 40% a cada ano. Graças a esta tendência, o custo do kWh produzido pela energia fotovoltaica foi bastante reduzido, enquanto o custo da electricidade gerada por combustíveis fósseis continuou a aumentar. Como resultado, o relatório conclui que a energia fotovoltaica alcançará a paridade da rede com as fontes de energia convencionais em muitas regiões dos Estados Unidos até 2015. Mas para alcançar uma quota de mercado de energia de 10%, continua o relatório, as empresas fotovoltaicas terão de simplificar ainda mais as instalações, para que a energia solar se torne uma tecnologia plug-and-play. Ou seja, é fácil adquirir os componentes de cada sistema e a sua interligação é simples, assim como a sua ligação à rede.[153]​.

Atualmente, a maioria das instalações está conectada à rede e utiliza sistemas de balanceamento de rede que permitem o consumo noturno de eletricidade a partir da energia gerada durante o dia. Nova Jersey lidera os estados com a lei de equilíbrio líquido menos restritiva,[154]​ enquanto a Califórnia lidera o número total de residências com energia solar. Muitos deles foram instalados durante a iniciativa milhões de telhados solares.[155]​.

A tendência atual e a taxa de crescimento indicam que nos próximos anos um grande número de centrais fotovoltaicas será construído no sul e sudoeste do país, onde a terra disponível é abundante, nos desertos ensolarados da Califórnia, Nevada e Arizona. As empresas estão cada vez mais adquirindo grandes áreas nessas áreas, com a intenção de construir fábricas maiores e de grande porte.[156]​.

Japão

A energia fotovoltaica no Japão se expandiu rapidamente desde a década de 1990. O país é um dos líderes na fabricação de módulos fotovoltaicos e está entre os primeiros em potência instalada, com mais de 23 GW no final de 2014, a maior parte conectada à rede.[157][158][159] A irradiância no Japão é ótima, situando-se entre 4,3 e 4,8 kWh·m²·dia, tornando-o um país ideal para o desenvolvimento deste tipo de energia.

A venda de módulos fotovoltaicos para projetos comerciais cresceu rapidamente após a introdução pelo governo japonês, em julho de 2012, de uma tarifa para incentivar a energia fotovoltaica após o acidente nuclear de Fukushima e a paralisação da maioria das centrais nucleares do país.

A maioria dos módulos provém de fabricantes locais, entre os quais se destacam Kyocera, Sharp Corporation, Mitsubishi ou Sanyo, enquanto uma pequena parte é importada, segundo dados da Japan Photovoltaic Energy Association (JPA). 2012.[161]​ Embora esta tendência esteja se invertendo, ainda mais de 75% das células e módulos vendidos no Japão no início de 2012 eram destinados a projetos residenciais, enquanto cerca de 9% eram usados ​​em instalações fotovoltaicas comerciais.[162]​.

Em 2014, a energia fotovoltaica total instalada no país foi de cerca de 23 GW, o que contribuiu com aproximadamente 2,5% para a procura de electricidade do país.[127] Durante o verão de 2015, foi relatado que a produção fotovoltaica no Japão em determinados momentos cobriu 10% da demanda nacional total.[140] Dois anos depois, em 2016, era de cerca de 42 GW,[149]​ e a previsão sugere que o mercado fotovoltaico japonês crescerá ainda mais nos próximos anos.[163]​.

Alemanha

No início de 2016, a Alemanha tinha uma capacidade instalada de cerca de 40 GW.[130]​ Só em 2011, a Alemanha instalou cerca de 7,5 GW,[164]​ e a energia fotovoltaica produziu 18 TW·h de eletricidade, 3% do total consumido no país.[134][165]​.

O mercado fotovoltaico na Alemanha cresceu consideravelmente desde o início do século graças à criação de uma tarifa regulamentada para a produção de energia renovável, que foi introduzida pela "Lei Alemã de Energia Renovável", uma lei publicada em 2000. Desde então, o custo das instalações fotovoltaicas caiu mais de 50% em cinco anos, desde 2006.[166]​ A Alemanha estabeleceu a meta de produzir 35% de sua eletricidade através de energias renováveis em 2020. e atingir 100% em 2050.[167]​.

Em 2012, as tarifas introduzidas custaram à Alemanha cerca de 14 mil milhões de euros por ano, tanto para instalações eólicas como solares. Este custo é distribuído por todos os contribuintes através de um custo adicional de 3,6 cêntimos de euros por kWh[168]​ (aproximadamente 15% do custo total da eletricidade para o consumidor doméstico).[169]​.

A considerável potência instalada na Alemanha bateu vários recordes nos últimos anos. Durante dois dias consecutivos em maio de 2012, por exemplo, as usinas solares fotovoltaicas instaladas no país produziram 22.000 MWh no meio-dia, o que equivale à energia de geração de vinte usinas nucleares funcionando a plena capacidade.[170]​[nota 6]​ A Alemanha quebrou esse recorde em 21 de julho de 2013, com uma potência instantânea de 24 GW ao meio-dia. Devido à natureza altamente distribuída da energia fotovoltaica alemã, aproximadamente 1,3-1,4 milhões de pequenos sistemas fotovoltaicos contribuíram para este novo recorde. Aproximadamente 90% dos painéis solares instalados na Alemanha estão localizados em telhados.[173]​.

Em junho de 2014, a energia fotovoltaica alemã mais uma vez quebrou recordes durante vários dias, produzindo até 50,6% de toda a demanda de eletricidade durante um único dia, e superando o recorde anterior de potência instantânea para 24,24 GW.[174][175][176]​.

No início do Verão de 2011, o Governo alemão anunciou que o actual regime de tarifas reguladas terminaria quando a potência instalada atingisse 52 GW. Quando isso acontecer, a Alemanha aplicará um novo esquema tarifário de injeção, cujos detalhes ainda não são conhecidos.[177]​.

No entanto, consciente de que o armazenamento de energia através de baterias é essencial para a implantação massiva de energias renováveis, como a energia eólica ou a fotovoltaica, dada a sua intermitência, em 1 de maio de 2013, a Alemanha lançou um novo programa de ajuda para incentivar sistemas fotovoltaicos com baterias de armazenamento.[178]​ Desta forma, as instalações fotovoltaicas inferiores a 30 kW que instalam baterias e acumulam eletricidade são financiadas com 660 euros. para cada kW de armazenamento da bateria. O programa está dotado de 25 milhões de euros distribuídos anualmente em 2013 e 2014, e desta forma a energia está disponível quando o recurso não está disponível - não há vento ou é à noite -,[178]​ além de facilitar a estabilidade do sistema elétrico.[179]​.

Índia

A Índia é densamente povoada e também possui alta irradiação solar, tornando o país um dos melhores candidatos para o desenvolvimento da energia fotovoltaica. Em 2009, a Índia anunciou um programa para acelerar a utilização de instalações solares em edifícios governamentais, bem como em hospitais e hotéis.[180]​.

A queda no preço dos painéis fotovoltaicos coincidiu com um aumento no preço da electricidade na Índia. O apoio governamental e a abundância do recurso solar ajudaram a impulsionar a adoção desta tecnologia.[181]​.

O parque solar Charanka de 345 MW (um dos maiores do mundo) foi comissionado em abril de 2012 e ampliado em 2015, juntamente com um total de 605 MW na região de Gujarat. A construção de outros grandes parques solares foi anunciada no estado de Rajasthan.[183] O parque solar Dhirubhai Ambani de 40 MW também foi inaugurado em 2012.[184]​.

Em janeiro de 2015, o governo indiano aumentou significativamente os seus planos de desenvolvimento solar, estabelecendo uma meta de investimento de 100 mil milhões de dólares e 100 GW de capacidade solar até 2022.[185][186]​.

No início de 2017, a capacidade total instalada na Índia estava acima de 10 GW.[187]​ A Índia espera atingir rapidamente 20 GW instalados,[188]​ cumprindo sua meta de criar 1 milhão de empregos[189]​ e atingir 100 GW em 2022.[190][191]​.

Itália

A Itália está entre os primeiros países a produzir eletricidade a partir de energia fotovoltaica, graças ao programa de incentivo denominado Conto Energia.[192]​ O crescimento tem sido exponencial nos últimos anos: a potência instalada triplicou em 2010 e quadruplicou em 2011, produzindo em 2012 5,6% da energia total consumida no país.[135]​.

Este programa teve um orçamento total de 6,7 mil milhões de euros. Atingido este limite, o Governo deixou de incentivar novas instalações, tendo atingido a paridade de rede. Um relatório publicado em 2013 pelo Deutsche Bank concluiu que a paridade da rede tinha de facto sido alcançada em Itália e noutros países ao redor do mundo.

Desde meados de 2012, está em vigor nova legislação que exige o registo de todas as centrais com potência superior a 12 kW; aquelas com menor potência (fotovoltaica em telhados de residências) estão isentas de registro.[195]​ No final de 2016, a potência total instalada era superior a 19 GW,[149]​ assumindo uma produção de energia tão significativa que várias usinas de gás operavam com metade do seu potencial durante o dia.

Reino Unido

A energia solar no Reino Unido, embora relativamente desconhecida até recentemente,[196]​ disparou muito rapidamente nos últimos anos, devido à queda drástica no preço dos painéis fotovoltaicos e à introdução de tarifas reguladas a partir de abril de 2010.[197]​ Em 2014, já existiam cerca de 650.000 instalações solares registadas nas Ilhas Britânicas, com uma capacidade total próxima de 5 GW.[198]​ A maior central solar do país está localizada. em Southwick Estate, perto de Fareham, e tem capacidade de 48 MW. Foi inaugurado em março de 2015.[199]​.

Em 2012, o governo britânico de David Cameron comprometeu-se a abastecer quatro milhões de casas com energia solar em menos de oito anos,[200]​ o que equivale a instalar cerca de 22 GW de capacidade fotovoltaica até 2020.[197]​ No início de 2016, o Reino Unido tinha instalado mais de 10 GW de energia solar fotovoltaica.[201]​.

Entre os meses de abril e setembro de 2016, a energia solar produziu mais eletricidade no Reino Unido (6.964 GWh) do que a produzida pelo carvão (6.342 GWh), ambos representando cerca de 5% da procura.[138]​.

França

O mercado francês é o quarto mais importante da União Europeia, depois dos mercados da Alemanha, Itália e Reino Unido. No final de 2014 tinha mais de 5 GW instalados, e atualmente mantém um crescimento sustentado, estima-se que em 2015 ligue 1 GW adicional à capacidade atual à rede elétrica.[202] Recentemente, o país francês aumentou a cota dos seus leilões de energia fotovoltaica de 400 para 800 MW, como consequência do reconhecimento governamental da cada vez mais competitividade da energia solar.[202]​.

Em França existe uma das maiores centrais fotovoltaicas da Europa, um projeto de 300 MW denominado Cestas.[203]​[204]​[205]​ A sua entrada em funcionamento ocorreu no final de 2015, proporcionando ao setor fotovoltaico um exemplo a seguir pelo resto da indústria europeia.[203]​.

Espanha

A Espanha é um dos países da Europa com maior irradiação anual.[43] Isto torna a energia solar mais lucrativa neste país do que em outros. Regiões como o norte de Espanha, que são geralmente consideradas inadequadas para a energia fotovoltaica, recebem mais irradiação anual do que a média na Alemanha, um país que mantém a liderança na promoção da energia solar fotovoltaica há anos.[43]​.

Desde o início dos anos 2000, de acordo com as medidas de apoio às energias renováveis ​​que estavam a ser levadas a cabo no resto da Europa, foi aprovado o regulamento que estabelece as condições técnicas e administrativas, e que marcou o início de uma lenta descolagem da energia fotovoltaica em Espanha. Em 2004, o governo espanhol eliminou as barreiras económicas à ligação das energias renováveis ​​à rede eléctrica. O Real Decreto 436/2004 igualou as condições para a sua produção em grande escala e garantiu a sua venda através de prémios de geração.[206]​.

Graças a este regulamento, e ao subsequente RD 661/2007,[207] Espanha era em 2008 um dos países com maior potência fotovoltaica instalada no mundo, com 2708 MW instalados num único ano. No entanto, alterações posteriores na legislação do setor[208]​ atrasaram a construção de novas centrais fotovoltaicas, de modo que em 2009 foram instalados apenas 19 MW, em 2010, 420 MW, e em 2011 foram instalados 354 MW, correspondendo a 2% do total na União Europeia.[133]​.

Em termos de produção de energia, em 2010 a energia fotovoltaica cobriu aproximadamente 2% da geração de eletricidade em Espanha, enquanto em 2011 e 2012 representou 2,9%, e em 2013 3,1% da geração de eletricidade segundo dados da operadora Red Eléctrica.[209]​[210][211]​

Em 2018, a quota da energia solar fotovoltaica em Espanha atingiu 3,2% de toda a energia produzida a nível nacional.[212]​.

No início de 2012, o Governo espanhol aprovou um Real Decreto-Lei pelo qual foi paralisada a instalação de novas centrais fotovoltaicas e outras energias renováveis.[213]​ No final de 2015, a potência fotovoltaica instalada em Espanha ascendia a 4.667 MW.[214]​ Em 2017, Espanha caiu pela primeira vez da lista dos dez países com maior capacidade fotovoltaica instalada, sendo superada pela Austrália e pela Coreia. do Sul.[215]​ No entanto, em julho de 2017, o Governo organizou um leilão que atribuiu mais de 3.500 MW de novas centrais de energia fotovoltaica,[216]​ que permitirão à Espanha atingir os objetivos de geração de energia renovável estabelecidos pela União Europeia para 2020. Como novidade, nem a construção das centrais adjudicadas nem a sua operação implicarão qualquer custo para o sistema, exceto no caso de o preço de mercado descer abaixo de um piso. estabelecido no leilão. A grande queda nos custos da energia fotovoltaica permitiu que grandes empresas licitassem a preços de mercado.[217]​.

Em 2019, a energia fotovoltaica aumentou a potência instalada em Espanha em mais de 3.000 MW, com uma potência instalada total de 7.800 MW.[218] Espanha possui a maior central fotovoltaica conectada da Europa, localizada na cidade de Mula (Murcia), com 494 MW.[219]​.

América latina

Na América Latina, a energia fotovoltaica começou a decolar nos últimos anos. A construção de um bom número de usinas solares tem sido proposta em vários países, em toda a região.[221]​.

A energia solar fotovoltaica está em expansão no Brasil, enquanto em 2020 o país tinha 7,8 GW de energia solar instalada, o décimo quarto país do mundo nessa energia, em outubro de 2022 a capacidade instalada atingia um total de 21 GW, com fator de capacidade médio de 23%. Em 2023, o Brasil estará entre os 10 países do mundo com mais energia solar instalada.[222]​ Alguns dos estados brasileiros mais irradiados são Minas Gerais, Bahia e Goiás, que têm uma irradiação entre 4,5 a 6,0 kWh/m²/dia.[223]​[224]​.

O México é o segundo país latino-americano com maior capacidade instalada (7,0 GW em 2021),[225]​ e ainda tem um enorme potencial quando se trata de energia solar.[226]​[227]​ 70% de seu território tem uma irradiação superior a 4,5 kWh/m²/dia, o que o torna um país muito ensolarado, e implica que usando a tecnologia fotovoltaica atual, uma usina solar de 25 km² em qualquer lugar no estado de Chihuahua ou no O Deserto de Sonora (que ocuparia 0,01% da superfície do México) poderia fornecer toda a eletricidade demandada pelo país.[228]​.

O projeto Aura Solar, localizado em La Paz (Baja California Sur) "La Paz (Baja California Sur)"), inaugurado no início de 2014, que pretendia gerar 82 GWh por ano, o suficiente para abastecer o consumo de 164 mil habitantes (65% da população de La Paz "La Paz (Baja California Sur)")), mas foi devastado pelo Furacão Odile em setembro do mesmo ano e a usina parou de operar por vários meses.

Em 2016 foi realizada a reconstrução da central, que foi concluída no final do mesmo ano e de 2017 até à data voltou a funcionar.[229]​.

Outra usina fotovoltaica de 47 MW está em fase de planejamento em Puerto Libertad (Sonora) "Puerto Libertad (Sonora)").[230]​ A usina, originalmente projetada para abrigar 39 MW, foi ampliada para permitir a geração de 107 GWh/ano.[231]​.

O México já possui mais de 3.000 MW instalados. Espera-se que experimente um maior crescimento nos próximos anos, a fim de atingir a meta de cobrir 35% da sua demanda energética a partir de energias renováveis ​​em 2024, de acordo com uma lei aprovada pelo governo mexicano em 2012.[232][233]​.

Até poucos anos atrás, o Chile liderava a produção solar na América Latina (hoje está em terceiro lugar - 4,4 GW em 2021[225]​). A primeira usina solar fotovoltaica do Chile foi El Águila, de 2,2 MWp localizada em Arica, concluída em 2012. Este país inaugurou uma usina fotovoltaica de 100 MW em junho de 2014, que se tornou a maior até hoje na América Latina. O alto preço da eletricidade e os altos níveis de radiação que existem no norte do Chile promoveram a abertura de um importante mercado livre de subsídios.[235]​ No final de 2018, o país andino tinha 2.427 MW de energia fotovoltaica em operação. O Chile tem um potencial de mais de 1.800 GW de energia solar possível no Deserto do Atacama, segundo estudo realizado pela GIZ alemã no Chile (Sociedade Alemã para Cooperação Internacional, 2014). O Deserto do Atacama é o local mais irradiado do mundo, com níveis de irradiação global (GHI) acima de 2700 kWh/m²/ano.

Evolução temporal

A tabela a seguir apresenta o detalhamento da potência global instalada, discriminada por cada país, de 2002 a 2022:

Previsão de longo prazo

De acordo com o relatório Estatísticas de Capacidade Renovável 2023 da Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA), a energia fotovoltaica instalada no mundo atingiu 773,2 GW em 2020, o que representa um crescimento de 22% em relação ao ano anterior.[1] Este crescimento foi o dobro do das energias renováveis como um todo e representou 39% da potência instalada de todas as tecnologias de geração de eletricidade em 2020.

A China foi o principal mercado fotovoltaico em 2020, com 48 GW instalados, seguida pelos Estados Unidos, com 19 GW, e pelo Vietnã, com 11 GW1. A Espanha esteve entre os países com maior aumento percentual na energia fotovoltaica, com um aumento de 31,99%, atingindo **18,2 GW. já que Brasil, Chile e Arábia Saudita ainda não foram desenvolvidos como esperado, e espera-se que o sejam nos próximos anos. Até 2021, esperava-se que a energia fotovoltaica instalada no mundo ultrapassasse 900 GW, e que em 2025 chegaria a 1.500 GW, de acordo com as previsões da SolarPower Europa.[3] A consultoria Frost & Sullivan estima que a energia fotovoltaica atingirá 1.000 GW em 2024, e que a China, a Índia e os Estados Unidos Os estados seguirão sendo os líderes de mercado.

A energia fotovoltaica tem grande potencial para contribuir para a transição energética e a mitigação das alterações climáticas, uma vez que é uma fonte de energia limpa, renovável, descentralizada e competitiva. De acordo com Irena, a energia fotovoltaica poderá cobrir 13% da procura global de eletricidade em 2030 e 23% em 2050. Além disso, a energia fotovoltaica poderá gerar mais de 23 milhões de empregos em 2050 e evitar a emissão de mais de 4 mil milhões de toneladas de CO2 por ano.

A organização PV Market Alliance (PVMA), um consórcio constituído por diversas entidades de investigação, estima que a capacidade global se situe entre 444-630 GW em 2020. No cenário mais pessimista, prevê que a taxa de instalação anual se situe entre 40 e 50 gigawatts no final da década, enquanto no cenário mais optimista estima que entre 60 e 90 GW serão instalados anualmente nos próximos cinco anos. O cenário intermédio estima que estarão entre 50 e 70 GW, para atingir 536 GW em 2020.[247]​[248]​ Os números do PVMA concordam com os publicados anteriormente pela Solar Power Europe. Em junho de 2015, a Greentech Media (GTM) publicou seu relatório para 2020, que estima que as instalações anuais aumentarão de 40 para 135 GW, atingindo uma capacidade global total de quase 700 GW em 2020. A estimativa da GTM é a mais otimista de todas as publicadas até o momento, estimando que 518 GW serão instalados entre 2015 e 2020, o que é mais que o dobro de outras estimativas.[249]​.

En Europa y en el resto del mundo se han construido un gran número de centrales fotovoltaicas a gran escala.[103]​ Actualmente las plantas fotovoltaicas más grandes del mundo son, de acuerdo a su capacidad de producción:[103]​.

Las mayores plantas solares del mundo se encuentran situadas en China e India. Kurnool Solar, en el estado indio de Andhra Pradesh alberga 1 GW de capacidad, equivalente en potencia a una central nuclear. La planta Yanchi Solar, en la provincia de Qinghai (China) cuenta asimismo con dicha capacidad. Entre los primeros puestos se encuentra también Longyangxia Hydro-Solar PV Station, situada junto a la presa de Longyangxia en China. Consiste en un macrocomplejo hidroeléctrico de 1280 MW, al que posteriormente se le añadió una central fotovoltaica de 320 MW, completada en 2013. A finales de 2015 se inauguró una segunda fase de 530 MW, lo que elevó la potencia total de la planta solar hasta los 850 MW.[251]​[252]​[253]​.

Otros proyectos de gran escala se encuentran situados en Estados Unidos. Solar Star, tiene una potencia de 579 MW y se encuentra en California.[254]​[255]​ Las plantas Topaz Solar Farm y Desert Sunlight Solar Farm en Riverside County, también en California, tiene asimismo una potencia de 550 MW.[256]​[257]​ El proyecto Blythe Solar Power consiste en una planta fotovoltaica de 500 MW, situada igualmente en Riverside County, cuya construcción está prevista próximamente.[258]​ En Europa, la planta de mayor envergadura está ubicada en Murcia (España). Cuenta con una capacidad de 494 MW y entró en operación en 2019.[218]​.

Hay otras muchas plantas de gran escala en construcción. El McCoy Solar Energy Project,[259]​[260]​ en Estados Unidos, tendrá una potencia de 750 MW una vez completado.[261]​ En los últimos años, se ha propuesto la construcción de varias plantas de potencias superiores a los 1000 MW en diferentes lugares del mundo. La planta Quaid-e-Azam Solar Park, situada en Pakistán y cuya primera fase ya se encuentra operativa con 100 MW,[262]​[263]​[264]​ tiene previsto ampliar su capacidad hasta los 1500 MW.[265]​ Los Emiratos Árabes Unidos planean también la construcción de una planta de 1000 MW.[266]​[267]​[268]​ El Ordos Solar Project,[269]​ situado en China, alcanzará los 2000 MW.[270]​ El proyecto Westlands Solar Park tiene una capacidad prevista de 2700 MW,[271]​ a ser completado en varias fases. El proyecto de Ladakh, en India, planea albergar 5 GW de capacidad fotovoltaica.[272]​.

En lo que respecta a instalaciones fotovoltaicas sobre tejado, la mayor instalación se encuentra en las instalaciones de Renault Samsung Motors en Busan (Corea del Sur), y cuenta con 20 MW distribuidos sobre las diferentes cubiertas, aparcamientos e infraestructuras del complejo. Inaugurada en 2013, proporciona energía a la fábrica y miles de hogares cercanos.[273]​.

Armazenamento de energia fotovoltaica usando baterias

O armazenamento de energia apresenta-se como um grande desafio para permitir um fornecimento contínuo de energia, visto que a energia solar não pode ser gerada durante a noite. As baterias recarregáveis ​​têm sido tradicionalmente utilizadas para armazenar o excesso de eletricidade em sistemas isolados. Com o surgimento de sistemas conectados à rede, o excesso de eletricidade pode ser transportado através da rede elétrica até os pontos de consumo. Quando a produção de energia renovável representa uma pequena fracção da procura, outras fontes de energia podem ajustar a sua produção de forma adequada para apoiar a variabilidade das fontes renováveis, mas com o crescimento das fontes renováveis, é necessário um controlo mais adequado para equilibrar a rede.

Com a queda dos preços, as usinas fotovoltaicas passam a ter baterias para controlar a potência de saída ou armazenar o excesso de energia para que possa ser utilizada nos horários em que as usinas renováveis ​​não podem gerar diretamente. Este tipo de baterias permite estabilizar a rede elétrica, suavizando os picos de demanda por minutos ou horas. Espera-se que no futuro estas baterias desempenhem um papel importante na rede elétrica, pois podem ser carregadas em períodos em que a geração excede a procura e despejar essa energia na rede quando a procura é superior à geração.

Por exemplo, em Porto Rico, um sistema com capacidade de 20 megawatts durante 15 minutos (5 megawatts-hora) é utilizado para estabilizar a frequência da rede na ilha. Outro sistema de 27 megawatts por 15 minutos (6,75 megawatts-hora) com baterias de níquel-cádmio foi instalado em Fairbanks, Alasca, em 2003, para estabilizar a tensão das linhas de transmissão.[274]​.

A maioria desses bancos de baterias está localizada próxima às próprias usinas fotovoltaicas. Os maiores sistemas nos Estados Unidos incluem a bateria de 31,5 MW na usina Grand Ridge Power em Illinois, e a bateria de 31,5 MW em Beech Ridge, Virgínia. Projetos notáveis incluem o sistema de 400 MWh (100 MW por quatro horas) do projeto Southern California Edison e um projeto de 52 MWh em Kauai, Havaí, que substitui completamente a produção de 13MW para uso após o pôr do sol.[276]​ Outros projetos estão localizados em Fairbanks (40 MW por 7 minutos usando baterias de níquel-cádmio)[277]​ e em Notrees (Texas) (36 MW por 40 minutos usando baterias de chumbo-ácido).[278]​.

Em 2015, foram instalados nos Estados Unidos um total de 221 MW com armazenamento de bateria, e estima-se que a potência total deste tipo de sistemas crescerá para 1,7 GW em 2020. A maioria instalada por empresas grossistas no mercado dos EUA.[279]​.

O autoconsumo fotovoltaico consiste na produção individual de energia elétrica em pequena escala para consumo próprio, através de painéis fotovoltaicos. Isto pode ser complementado com o saldo líquido. Este esquema de produção, que permite compensar o consumo de eletricidade com o gerado por uma instalação fotovoltaica em momentos de menor consumo, já foi implementado com sucesso em muitos países. Foi proposto em Espanha pela Associação da Indústria Fotovoltaica (ASIF) para promover a eletricidade renovável sem a necessidade de apoio financeiro adicional,[280]​ e estava em fase de projeto pela IDAE.[281]​ Foi posteriormente incluído no Plano de Energias Renováveis ​​2011-2020,[282]​ mas ainda não foi regulamentado.

Contudo, nos últimos anos, devido ao aumento crescente de pequenas instalações de energia renovável, o autoconsumo com saldo líquido começou a ser regulamentado em vários países do mundo, sendo uma realidade em países como Alemanha, Itália, Dinamarca, Japão, Austrália, Estados Unidos, Canadá e México, entre outros.

Entre as vantagens do autoconsumo em relação ao consumo da rede estão as seguintes:.

• - Com o menor custo dos sistemas de autoconsumo e o aumento das tarifas de energia elétrica, é cada vez mais rentável produzir a própria eletricidade.[17]​.

• - A dependência das empresas eléctricas é reduzida.

• - Os sistemas fotovoltaicos de autoconsumo utilizam energia solar, fonte gratuita, inesgotável, limpa e amiga do ambiente.

• - É gerado um sistema distribuído de geração de eletricidade que reduz a necessidade de investimento em novas redes e reduz as perdas de energia devido ao transporte de eletricidade através da rede.[283]​.

• - A dependência energética do país do mundo exterior é reduzida.

• - Evitam-se problemas no atendimento de toda a demanda nos horários de pico, conhecidos por quedas e picos de energia.

• - O impacto das instalações eléctricas na sua envolvente é minimizado.

• - As empresas reduzem os seus custos energéticos, melhoram a sua imagem e reforçam o seu compromisso com o ambiente.[284]​.

No caso do autoconsumo fotovoltaico, o tempo de retorno do investimento é calculado com base na quantidade de eletricidade que deixa de ser consumida da rede, devido à utilização de painéis fotovoltaicos.

Por exemplo, na Alemanha, com preços de eletricidade de 0,25 euros/kWh e uma insolação de 900 kWh/kWp, uma instalação de 1 kWp poupa cerca de 225 euros por ano, o que com custos de instalação de 1.700 euros/kWp significa que o sistema se pagará a si próprio em menos de 7 anos.[285] Este valor é ainda menor em países como Espanha, com uma irradiação superior à existente no norte. do continente europeu.[43]​.

El efecto de la temperatura sobre los módulos fotovoltaicos se suele cuantificar mediante unos coeficientes que relacionan las variaciones de la tensión en circuito abierto, de la corriente de cortocircuito y de la potencia máxima a los cambios de temperatura. En este artículo, directrices experimentales integrales para estimar los coeficientes de temperatura[286]​.

Las eficiencias de las células solares varían entre el 6 % de aquellas basadas en silicio amorfo hasta el 46 % de las células multiunión.[288]​[289]​ Las eficiencias de conversión de las células solares que se utilizan en los módulos fotovoltaicos comerciales (de silicio monocristalino o policristalino) se encuentran en torno al 16-22 %.[290]​[291]​.

El coste de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67 $/Wp en 1977 hasta aproximadamente 0,36 $/Wp en 2014.[287]​[292]​ Esta tendencia sigue la llamada ley de Swanson, una predicción similar a la conocida Ley de Moore, que establece que los precios de los módulos solares descienden un 20 % cada vez que se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica.[293]​.

En 2014, el precio de los módulos solares se había reducido en un 80 % desde el verano de 2008,[294]​[295]​ colocando a la energía solar por primera vez en una posición ventajosa respecto al precio de la electricidad pagado por el consumidor en un buen número de regiones soleadas.[296]​ En este sentido, el coste medio de generación eléctrica de la energía solar fotovoltaica es ya competitivo con el de las fuentes convencionales de energía en una creciente lista de países,[297]​ particularmente cuando se considera la hora de generación de dicha energía, ya que la electricidad es usualmente más cara durante el día.[298]​ Se ha producido una dura competencia en la cadena de producción, y asimismo se esperan mayores caídas del coste de la energía fotovoltaica en los próximos años, lo que supone una creciente amenaza al dominio de las fuentes de generación basadas en las energías fósiles.[299]​ Conforme pasa el tiempo, las tecnologías de generación renovable son generalmente más baratas,[300]​[301]​ mientras que las energías fósiles se vuelven más caras:.

En 2011, el coste de la fotovoltaica había caído bastante por debajo del de la energía nuclear,[303]​ y se espera que siga cayendo:[304]​.

La tendencia es que los precios disminuyan aún más con el tiempo una vez que los componentes fotovoltaicos han entrado en una clara y directa fase industrial.[306]​[307]​ A finales de 2012, el precio medio de los módulos fotovoltaicos había caído a 0,50 $/Wp, y las previsiones apuntan que su precio seguirá reduciéndose hasta los 0,36 $/Wp en 2017.[308]​.

En 2015, el Instituto alemán Fraunhofer especializado en energía solar (ISE) realizó un estudio que concluía que la mayoría de los escenarios previstos para el desarrollo de la energía solar infravaloran la importancia de la fotovoltaica.[309]​ El estudio realizado por el instituto Fraunhofer estimaba que el coste levelizado (LCOE) de la energía solar fotovoltaica para plantas de conexión a red se situará a largo plazo entre 0,02 y 0,04 €/kWh, niveles inferiores a los de las fuentes de energía convencionales.[310]​.

Energia fotovoltaica de filme fino

Outra alternativa de baixo custo às células de silício cristalino é a energia fotovoltaica de película fina, que se baseia em células solares de terceira geração.[312] Eles consistem em uma célula solar que é fabricada através da deposição de uma ou mais camadas finas (filme fino) de material fotovoltaico sobre um substrato.

As células solares de película fina são geralmente classificadas de acordo com o material fotovoltaico utilizado:.

• - Silício amorfo (a-Si) e outros silício de película fina (TF-Si)[313]​.

• - Telureto de cádmio (CdTe)[314]​.

• - Cobre, índio, gálio e seleneto (CIS ou CIGS)[315]​.

• - Células solares sensibilizadas por corante (DSC)[316]​ e outras células solares orgânicas.[317]​.

A Conferência Internacional de Energia Solar de Baixo Custo em Sevilha, realizada em Fevereiro de 2009, foi a primeira vitrine do mesmo em Espanha.[318]​ Esta tecnologia causou grandes expectativas no seu início. No entanto, a queda acentuada no preço das células e módulos de silício policristalino desde o final de 2011 significou que alguns fabricantes de películas finas foram forçados a sair do mercado, enquanto outros viram os seus lucros bastante reduzidos.[319]​.

La cantidad de energía solar que alcanza a la superficie terrestre es enorme, cerca de 122 petavatios (PW), y equivale a casi 10 000 veces más que los 13 TW consumidos por la humanidad en 2005.[320]​ Esta abundancia sugiere que no pasará mucho tiempo antes de que la energía solar se convierta en la principal fuente de energía de la humanidad.[321]​ Adicionalmente, la generación eléctrica mediante fotovoltaica presenta la mayor densidad energética (una media global de 170 W/m²) de todas las energías renovables.[320]​.

A diferencia de las tecnologías de generación de energía basadas en combustibles fósiles, la energía solar fotovoltaica no produce ningún tipo de emisiones nocivas durante su funcionamiento,[1]​ aunque la producción de los paneles fotovoltaicos presenta también un cierto impacto ambiental. Los residuos finales generados durante la fase de producción de los componentes, así como las emisiones de las factorías, pueden gestionarse mediante controles de contaminación ya existentes. Durante los últimos años también se han desarrollado tecnologías de reciclaje para gestionar los diferentes elementos fotovoltaicos al finalizar su vida útil,[322]​ y se están llevando a cabo programas para incrementar el reciclaje entre los productores fotovoltaicos.[323]​.

La tasa de retorno energético de esta tecnología, por su parte, es cada vez mayor. Con la tecnología actual, los paneles fotovoltaicos recuperan la energía necesaria para su fabricación en un período comprendido entre 6 meses y 1 año y medio; teniendo en cuenta que su vida útil media es superior a 30 años, producen electricidad limpia durante más del 95 % de su ciclo de vida.[324]​.

Emissões de gases de efeito estufa

As emissões de gases de efeito estufa ao longo do ciclo de vida da energia fotovoltaica são próximas de 46 g/kWh, e podem até ser reduzidas para 15 g/kWh num futuro próximo.[325]​

Em comparação, uma usina de gás de ciclo combinado emite entre 400-599 g/kWh,[326]​ uma usina a diesel 893 g/kWh,[326]​ uma usina a carvão 915-994 g/kWh[327]​ ou com tecnologia de captura de carbono cerca de 200 g/kWh (excluindo emissões durante a extração e transporte de carvão), e uma usina geotérmica de alta temperatura, entre 91-122 g/kWh.[326]​ A intensidade das emissões para o ciclo de vida da energia hidráulica, eólica e nuclear é inferior à da energia fotovoltaica, segundo dados publicados pelo IPCC em 2011.[326]​.

Tal como todas as fontes de energia cujas emissões dependem principalmente das fases de construção e transporte, a transição para uma economia de baixo carbono poderia reduzir ainda mais as emissões de dióxido de carbono durante o fabrico de dispositivos solares.

Um sistema fotovoltaico de 1 kW economiza a combustão de aproximadamente 77 kg (170 libras) de carvão, evita a emissão na atmosfera de cerca de 136 kg (300 libras) de dióxido de carbono e economiza o uso de cerca de 400 litros (105 galões) de água mensalmente.[328]​.

Degradação de módulos fotovoltaicos

A produção de energia de um dispositivo fotovoltaico (PV) diminui com o tempo. Esta diminuição deve-se à sua exposição à radiação solar, bem como a outras condições externas. A taxa de degradação, que é definida como a percentagem anual de perda de potência de saída, é um factor chave na determinação da produção a longo prazo de uma central fotovoltaica. Para estimar esta degradação, a percentagem de diminuição associada a cada um dos parâmetros eléctricos é quantificada separadamente. Deve-se notar que a degradação de um módulo fotovoltaico individual pode influenciar significativamente o desempenho de uma cadeia inteira. Além disso, nem todos os módulos na mesma instalação diminuem o seu desempenho exatamente na mesma proporção. Dado um conjunto de módulos expostos a condições exteriores de longa duração, deve ser considerada a degradação individual dos principais parâmetros eléctricos e o aumento da sua dispersão. Como cada módulo tende a degradar-se de forma diferente, o comportamento dos módulos se tornará cada vez mais diferente ao longo do tempo, afetando negativamente o desempenho geral da planta.

Existem diversos estudos que tratam da análise da degradação de energia de módulos baseados em diferentes tecnologias fotovoltaicas disponíveis na literatura. De acordo com um estudo recente,[329]​ a degradação dos módulos de silício cristalino é muito regular, variando entre 0,8% e 1,0% ao ano.

Por outro lado, se analisarmos o desempenho dos módulos fotovoltaicos de película fina, observa-se um período inicial de forte degradação (que pode durar vários meses e até 2 anos), seguido de uma fase subsequente em que a degradação se estabiliza, sendo então comparável ao que o silício cristalino pode ter.[330]​ Nestas tecnologias de película fina, também se observam fortes variações sazonais porque a influência do espectro solar é muito maior. Por exemplo, para módulos de silício amorfo, silício micromórfico ou teluleto de cádmio, estamos falando de taxas de degradação anuais para os primeiros anos entre 3% e 4%.[331]​ No entanto, outras tecnologias, como CIGS, têm taxas de degradação muito mais baixas, mesmo nesses primeiros anos.

Reciclagem de módulos fotovoltaicos

Uma instalação fotovoltaica pode funcionar durante 30 anos ou mais[332]​ com pouca manutenção ou intervenção após o seu arranque, pelo que, após o custo de investimento inicial necessário para construir uma instalação fotovoltaica, os seus custos operacionais são muito baixos em comparação com o resto das fontes de energia existentes. No final da sua vida útil, a maior parte dos painéis fotovoltaicos pode ser tratada. Graças às inovações tecnológicas desenvolvidas nos últimos anos, até 95% de certos materiais semicondutores e vidro podem ser recuperados, bem como grandes quantidades de metais ferrosos e não ferrosos usados ​​em módulos.[333]​ Algumas empresas privadas[334]​ e organizações sem fins lucrativos, como a PV CYCLE na União Europeia, estão trabalhando em operações de coleta e reciclagem de painéis em fim de vida.[335]​.

Duas das soluções de reciclagem mais comuns são:.

• - Painéis de silicone: As esquadrias de alumínio e caixas de ligação são desmontadas manualmente no início do processo. O painel é triturado e as diferentes frações são separadas: vidro, plásticos e metais.[336]​ É possível recuperar mais de 80% do peso recebido[337]​ e, por exemplo, o vidro misto extraído é facilmente aceito pelas indústrias de espuma de vidro e isolamento. Este processo pode ser realizado por recicladores de vidro plano, uma vez que a morfologia e a composição de um painel fotovoltaico são semelhantes às do vidro plano utilizado nas indústrias de construção e automotiva.

• - Painéis feitos de outros materiais: Hoje existem tecnologias específicas para reciclagem de painéis fotovoltaicos que não contêm silício; algumas técnicas utilizam banhos químicos para separar os diferentes materiais semicondutores.[338]​ Para painéis de telureto de cádmio, o processo de reciclagem começa com a trituração do módulo e, posteriormente, com a separação das diferentes partes. Este processo de reciclagem é projetado para recuperar até 90% do vidro e 95% dos materiais semicondutores.[339]​ Nos últimos anos, algumas empresas privadas lançaram instalações de reciclagem em escala comercial.[340]​.

Desde 2010, realiza-se na Europa uma conferência anual que reúne produtores, recicladores e investigadores para discutir o futuro da reciclagem de módulos fotovoltaicos. Em 2012 ocorreu em Madrid.[341][342]​.

• - Portal:Energia. Conteúdo relacionado a Energia.

• - Portal:Ecologia. Conteúdo relacionado a Ecologia.

• - O Wikimedia Commons hospeda uma categoria multimídia sobre Energia Solar Fotovoltaica.

• - Site da UNEF (União Fotovoltaica Espanhola) Principal associação do setor fotovoltaico em Espanha.

• - Site Fotovoltaica em Espanha (Universitat Politècnica de València).

• - PV Magazine Latin America Notícias do setor fotovoltaico em espanhol.

• - PVGIS. Cálculo preciso da radiação solar e do desempenho de usinas fotovoltaicas.

• - Banco de dados Atlas Global da IRENA para Energia Solar e Eólica.

• - Programa Fotovoltaico da Agência Internacional de Energia.

Contenido

El término «fotovoltaico» se comenzó a usar en Reino Unido en el año 1849.[21]​ Proviene del griego φώς: phos, que significa «luz», y de -voltaico, que proviene del ámbito de la electricidad, en honor al físico italiano Alessandro Volta.[nota 1]​.

El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez unos diez años antes, en 1839, por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel,[22]​[23]​ pero la primera célula solar no se fabricó hasta 1883. Su creador fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio semiconductor con pan de oro para formar la unión. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia menor del 1 %, pero demostró de forma práctica que, efectivamente, producir electricidad con luz era posible.[24]​ Los estudios realizados en el siglo por Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla y Heinrich Hertz sobre inducción electromagnética, fuerzas eléctricas y ondas electromagnéticas, y sobre todo, el trabajo realizado por Albert Einstein en 1905, por el cual le fue otorgado el premio Nobel en 1921, proporcionaron la base teórica y práctica del efecto fotoeléctrico,[25]​ que es el fundamento de la conversión de energía solar en electricidad.

Princípio de funcionamento

Quando um semicondutor dopado é exposto à radiação eletromagnética, um fóton incidente atinge um elétron e o elimina, criando um buraco no átomo. Normalmente, o elétron rapidamente encontra outra lacuna para preencher novamente, e a energia fornecida pelo fóton é, portanto, dissipada na forma de calor. O princípio de uma célula fotovoltaica é forçar os elétrons e buracos a se moverem em direção ao lado oposto do material em vez de simplesmente se recombinarem nele: assim, uma diferença de potencial, e portanto de tensão, será produzida entre as duas partes do material, como ocorre em uma bateria.

Para isso, é criado um campo elétrico permanente, através de uma junção pn, entre duas camadas dopadas respectivamente, p e n “Dopagem (semicondutores)”). Nas células de silício, que são mais utilizadas, existem, portanto:

• - A camada superior da célula, que é composta por silício dopado tipo n#doping_type_n_and_type_p "Doping (semicondutores)").[nota 2]​ Nesta camada, há um número maior de elétrons livres do que em uma camada de silício puro, daí o nome n-doping, negativo. O material permanece eletricamente neutro, uma vez que tanto os átomos de silício quanto os do material dopante são neutros: mas a rede cristalina tem uma presença global maior de elétrons do que em uma rede de silício puro.

• - A camada inferior da célula, que é composta de silício dopado com p "Dopagem (semicondutores)").[nota 3]​ Esta camada possui, portanto, uma quantidade média menor de elétrons livres do que uma camada de silício puro. Os elétrons estão ligados à rede cristalina que, consequentemente, é eletricamente neutra, mas possui lacunas, positivas (p). A condução elétrica é garantida por esses portadores de carga, que se movem por todo o material.

No momento da criação da junção p-n, os elétrons livres da camada n entram instantaneamente na camada p e se recombinam com lacunas na região p. Existirá, portanto, durante toda a vida da junção, uma carga positiva na região n ao longo da junção (porque faltam elétrons) e uma carga negativa na região p ao longo da junção (porque os buracos desapareceram); O conjunto forma a “Zona de Carga Espacial” (ZCE) e existe um campo elétrico entre os dois, de n a p. Este campo elétrico faz do ZCE um diodo, que só permite o fluxo de corrente em uma direção: os elétrons podem se mover da região p para a n, mas não na direção oposta e pelo contrário os buracos só passam de n para p.

Em operação, quando um fóton expulsa um elétron da matriz, criando um elétron livre e um buraco, sob o efeito desse campo elétrico cada um vai na direção oposta: os elétrons se acumulam na região n (para se tornar o pólo negativo), enquanto os buracos se acumulam na região dopada com p (que se torna o pólo positivo). Este fenômeno é mais eficaz no CEZ, onde quase não há portadores de carga (elétrons ou buracos), uma vez que são anulados, ou nas imediações do CEZ: quando um fóton cria um par elétron-buraco, eles são separados e é improvável que encontrem seu oposto, mas se a criação ocorrer em um local mais distante da junção, o elétron (transformado em um buraco) mantém uma grande oportunidade de se recombinar antes de atingir a zona n. Mas o CEZ é necessariamente muito fino, por isso não é útil dar uma grande espessura à célula.[nota 4]​ Na verdade, a espessura da camada n é muito pequena, uma vez que esta camada é basicamente necessária apenas para criar o CEZ que faz a célula funcionar. Por outro lado, a espessura da camada p é maior: depende de um compromisso entre a necessidade de minimizar as recombinações elétron-buraco e, pelo contrário, permitir a captura do maior número possível de fótons, para os quais é necessária uma certa espessura mínima.

Em suma, uma célula fotovoltaica equivale a um gerador de energia ao qual foi adicionado um diodo. Para conseguir uma célula solar prática, é necessário também adicionar contactos eléctricos (que permitem extrair a energia gerada), uma camada que protege a célula mas permite a passagem da luz, uma camada anti-reflexo "Reflexão (física)") para garantir a correcta absorção dos fotões, e outros elementos que aumentam a sua eficiência.

Primeira célula solar moderna

O engenheiro americano Russell Ohl patenteou a moderna célula solar em 1946,[26]​ embora outros pesquisadores já tivessem avançado em seu desenvolvimento anteriormente: o físico sueco Sven Ason Berglund havia patenteado um método em 1914 que tentava aumentar a capacidade das células fotossensíveis, enquanto, em 1931, o engenheiro alemão Bruno Lange havia desenvolvido uma fotocélula usando seleneto de prata em vez de óxido de cobre.[27]​.

A era moderna da tecnologia solar não chegou até 1954, quando os pesquisadores americanos Gerald Pearson, Calvin S. Fuller e Daryl Chapin, dos Laboratórios Bell, descobriram acidentalmente que os semicondutores de silício dopados "Doping (semicondutores)") com certas impurezas eram muito sensíveis à luz. Esses avanços contribuíram para a fabricação da primeira célula solar comercial. Eles usaram uma junção difusa de silício p-n, com uma conversão de energia solar de aproximadamente 6%, uma conquista comparada às células de selênio que mal chegava a 0,5%.[29]​[30]​.

Mais tarde, o americano Les Hoffman, presidente da empresa Hoffman Electronics, através da sua divisão de semicondutores, foi um dos pioneiros na fabricação e produção em larga escala de células solares. Entre 1954 e 1960, Hoffman conseguiu melhorar a eficiência das células fotovoltaicas em até 14%, reduzindo os custos de fabricação para alcançar um produto que pudesse ser comercializado.[31]​.

Primeiras aplicações: energia solar espacial

No início, as células fotovoltaicas eram utilizadas de forma minoritária para alimentar brinquedos e em outros usos menores, pois o custo de produção de eletricidade a partir dessas células primitivas era muito alto: em termos relativos, uma célula que produzisse um watt de energia a partir da luz solar poderia custar US$ 250, em comparação com os dois ou três dólares que custa um watt de uma termelétrica a carvão.

As células fotovoltaicas foram resgatadas do esquecimento graças à corrida espacial e à sugestão de utilizá-las em um dos primeiros satélites colocados em órbita ao redor da Terra. A União Soviética lançou o seu primeiro satélite espacial em 1957, e os Estados Unidos o seguiriam um ano depois. A primeira espaçonave a utilizar painéis solares foi o satélite americano Vanguard 1, lançado em março de 1958 (hoje o satélite mais antigo ainda em órbita). Seu projeto utilizou células solares criadas por Peter Iles em um esforço liderado pela empresa Hoffman Electronics.[32]​ O sistema fotovoltaico permitiu continuar transmitindo por sete anos enquanto as baterias químicas "Bateria (eletricidade)") acabavam em apenas 20 dias.[33]​.

Em 1959, os Estados Unidos lançaram o Explorer 6. Este satélite tinha uma série de módulos solares instalados, apoiados em estruturas externas semelhantes a asas, compostas por 9.600 células solares da empresa Hoffman. Este tipo de dispositivo tornou-se mais tarde uma característica comum de muitos satélites. Houve algum ceticismo inicial sobre como o sistema funcionaria, mas na prática as células solares provaram ser um grande sucesso e logo foram incorporadas no projeto de novos satélites.

Alguns anos depois, em 1962, o Telstar "Telstar (satélite)") tornou-se o primeiro satélite de comunicações equipado com células solares, capaz de fornecer uma potência de 14 W.[34] Este marco gerou grande interesse na produção e lançamento de satélites geoestacionários para o desenvolvimento das comunicações, nos quais a energia viria de um dispositivo de captação da luz solar. Foi um desenvolvimento crucial que estimulou a pesquisa por parte de alguns governos e impulsionou a melhoria dos painéis fotovoltaicos.[35]​

Gradualmente, a indústria espacial optou pela utilização de células solares de arseneto de gálio (GaAs), devido à sua maior eficiência em comparação às células de silício. Em 1970, a primeira célula solar heteroestruturada de arsenieto de gálio altamente eficiente foi desenvolvida na União Soviética por Zhorés Alfiorov e sua equipe de pesquisa.[36]​[37]​.

A partir de 1971, as estações espaciais soviéticas do programa Salyut foram os primeiros complexos orbitais tripulados a obter sua energia a partir de células solares, anexadas a estruturas nas laterais do módulo orbital,[38]​ assim como a estação norte-americana Skylab, alguns anos depois.[39]​.

Na década de 1970, após a primeira crise do petróleo, o Departamento de Energia dos Estados Unidos e a agência espacial NASA começaram a estudar o conceito de energia solar no espaço, que visava fornecer energia terrestre através de satélites espaciais. Em 1979 propuseram uma frota de satélites em órbita geoestacionária, cada um dos quais mediria 5 x 10 km e produziria entre 5 e 10 GW. A construção envolveu a criação de uma grande infraestrutura espacial onde centenas de astronautas trabalhariam continuamente. Esse gigantismo era típico de uma época em que se planejava a criação de grandes cidades espaciais. Deixando de lado as dificuldades técnicas, a proposta foi rejeitada em 1981 porque era muito cara.[40] Em meados da década de 1980, com os preços do petróleo novamente baixos, o programa foi cancelado.[41]

Primeiras aplicações terrestres

Desde o seu aparecimento na indústria aeroespacial, onde se tornou o meio mais confiável de fornecimento de energia elétrica em veículos espaciais,[59]​ a energia solar fotovoltaica desenvolveu um grande número de aplicações terrestres. A primeira instalação comercial deste tipo foi realizada em 1966, no farol da Ilha Ogami (Japão), permitindo a substituição do uso do gás de flare por uma fonte elétrica renovável e autossuficiente. Foi o primeiro farol do mundo alimentado por energia solar fotovoltaica e foi crucial para demonstrar a viabilidade e potencial desta fonte de energia.[60]​.

As melhorias ocorreram lentamente ao longo das duas décadas seguintes, e o único uso generalizado foi em aplicações espaciais, onde a sua relação potência-peso era maior do que a de qualquer tecnologia concorrente. No entanto, este sucesso foi também a razão do seu lento crescimento: o mercado aeroespacial estava disposto a pagar qualquer preço para obter as melhores células possíveis, pelo que não havia razão para investir em soluções de menor custo se isso reduzisse a eficiência. Em vez disso, o preço das células foi determinado em grande parte pela indústria de semicondutores; A sua migração para a tecnologia de circuitos integrados na década de 1960 levou à disponibilidade de barras maiores a preços relativamente mais baixos. À medida que o seu preço caiu, o preço das células fotovoltaicas resultantes caiu na mesma medida. No entanto, a redução de custos associada a esta crescente popularização da energia fotovoltaica foi limitada e, em 1970, o custo das células solares ainda era estimado em US$ 100 por watt ($/Wp).[61]​.

Redução de preço

No final da década de 1960, o químico industrial americano Elliot Berman estava pesquisando um novo método para produzir a matéria-prima silício a partir de um processo de fita. No entanto, encontrou pouco interesse no seu projeto e não conseguiu obter o financiamento necessário para o seu desenvolvimento. Mais tarde, num encontro casual, foi apresentado a uma equipa da petrolífera Exxon que procurava projetos estratégicos para 30 anos no futuro. O grupo concluiu que a energia eléctrica seria muito mais cara no ano 2000 e considerou que este aumento de preço tornaria mais atractivas novas fontes alternativas de energia, sendo a energia solar a mais interessante entre estas. Em 1969, Berman ingressou no laboratório da Exxon em Linden, Nova Jersey, chamado Solar Power Corporation (SPC).[61]​.

Seu esforço foi inicialmente direcionado à análise do mercado potencial para identificar os possíveis usos que existiam para esse novo produto, e ele rapidamente descobriu que se o custo por watt fosse reduzido de US$ 100/Wp para cerca de US$ 20/Wp, surgiria uma demanda significativa. Sabendo que o conceito de “fita de silício” poderia levar anos para ser desenvolvido, a equipe começou a procurar maneiras de reduzir o preço para US$ 20/Wp usando materiais existentes. A constatação de que as células existentes se baseavam no processo padrão de fabricação de semicondutores foi um primeiro avanço, mesmo que não fosse um material ideal. O processo começou com a formação de um lingote de silício, que foi cortado transversalmente em discos chamados wafers. Os wafers foram então polidos e, em seguida, para uso como células, foram revestidos com uma camada anti-reflexo. Berman percebeu que os wafers cortados já tinham uma superfície frontal anti-reflexo perfeitamente boa e, ao imprimir os eletrodos diretamente nesta superfície, duas etapas importantes no processo de fabricação da célula foram eliminadas.[61]​.

Sua equipe também explorou outras maneiras de melhorar a montagem de células em arrays, eliminando os materiais caros e a fiação manual usados ​​anteriormente em aplicações espaciais. A solução consistiu em utilizar circuitos impressos no verso, plástico acrílico na frente e cola de silicone entre eles, embutindo as células. Berman percebeu que o silício existente no mercado já era “bom o suficiente” para uso em células solares. As pequenas imperfeições que poderiam arruinar um lingote de silício (ou wafer individual) para uso em eletrônica teriam pouco efeito em aplicações solares. As células fotovoltaicas poderiam ser fabricadas a partir de materiais descartados pelo mercado eletrônico, o que resultaria em uma grande melhoria em seu preço.[61]​.

Colocando todas essas mudanças em prática, a empresa começou a comprar silício rejeitado a um custo muito baixo dos fabricantes existentes. Usando os maiores wafers disponíveis, o que reduziu a quantidade de fiação para uma determinada área do painel, e empacotando-os em painéis com seus novos métodos, em 1973 a SPC estava produzindo painéis por US$ 10/Wp e vendendo-os por US$ 20/Wp, diminuindo o preço dos módulos fotovoltaicos em um quinto em apenas dois anos.[61]​.

O mercado da navegação marítima

A SPC começou a entrar em contato com empresas fabricantes de boias de navegação oferecendo o produto, mas constatou uma situação curiosa. A principal empresa do setor era a Automatic Power, fabricante de baterias descartáveis. Percebendo que as células solares poderiam prejudicar os negócios e os lucros produzidos pelo setor de baterias, a Automatic Power comprou um protótipo solar da Hoffman Electronics para acabar encurralando-o. Não vendo nenhum interesse da Automatic Power, a SPC então recorreu à Tideland Signal, outra empresa de fornecimento de baterias formada por ex-gerentes da Automatic Power.[61]​ A Tideland trouxe ao mercado uma bóia alimentada por energia fotovoltaica e logo estava arruinando os negócios da Automatic Power.

O momento não poderia ter sido melhor, o rápido aumento do número de plataformas petrolíferas offshore e outras instalações de carregamento produziu um enorme mercado entre as empresas petrolíferas. Como o Tideland teve sucesso, a Automatic Power começou então a adquirir seu próprio fornecimento de painéis solares fotovoltaicos. Eles encontraram Bill Yerkes da Solar Power International (SPI) na Califórnia, que procurava um mercado para vender seu produto. A SPI logo foi adquirida por um de seus maiores clientes, a gigante petrolífera ARCO, formando a ARCO Solar. A fábrica da ARCO Solar em Camarillo (Califórnia) foi a primeira dedicada à construção de painéis solares, e esteve em operação contínua desde a sua compra pela ARCO em 1977 até 2011, quando foi fechada pela empresa SolarWorld.

Esta situação foi combinada com a crise do petróleo de 1973. As empresas petrolíferas tinham enormes fundos à sua disposição naquela altura devido aos seus enormes rendimentos durante a crise, mas também estavam muito conscientes de que o seu sucesso futuro dependeria de alguma outra fonte de energia. Nos anos seguintes, grandes petrolíferas iniciaram a criação de uma série de empresas de energia solar, e foram durante décadas as maiores produtoras de painéis solares. As empresas ARCO, Exxon, Shell, Amoco (posteriormente adquirida pela BP) e Mobil mantiveram grandes divisões solares durante as décadas de 1970 e 1980. As empresas de tecnologia também fizeram investimentos significativos, incluindo General Electric, Motorola, IBM, Tyco e RCA.[62]

Aperfeiçoando a tecnologia

Nas décadas que se seguiram aos avanços de Berman, as melhorias reduziram os custos de produção para menos de 1 dólar/Wp, com preços abaixo de 2 dólares/Wp para todo o sistema fotovoltaico. O preço dos restantes elementos de uma instalação fotovoltaica representa agora um custo superior ao dos próprios painéis.[63]​.

À medida que a indústria de semicondutores se desenvolveu em direção a lingotes cada vez maiores, equipamentos mais antigos tornaram-se disponíveis a preços reduzidos. As células cresceram em tamanho quando esses equipamentos mais antigos foram disponibilizados no mercado excedente. Os primeiros painéis solares ARCO foram equipados com células de 2 a 4 polegadas (51 a 100 mm) de diâmetro. Os painéis na década de 1990 e início de 2000 geralmente incorporavam células de 5 polegadas (125 mm) e, desde 2008, quase todos os novos painéis usam células de 6 polegadas (150 mm). Além disso, a introdução generalizada de televisores de tela plana no final dos anos 1990 e início dos anos 2000 levou à ampla disponibilidade de grandes folhas de vidro de alta qualidade, que são usadas na parte frontal dos painéis.[65]​.

Em termos das próprias células, houve apenas uma grande mudança. Durante a década de 1990, as células de polissilício tornaram-se cada vez mais populares.[64]​ Essas células oferecem menos eficiência do que aquelas feitas de monossilício, mas são cultivadas em grandes cubas que reduzem muito o custo de produção.[64]​ Em meados da década de 2000, o polissilício dominava o mercado de painéis de baixo custo.[64]​.

La producción industrial a gran escala de paneles fotovoltaicos despegó en la década de 1980, y entre sus múltiples usos se pueden destacar:.

Telecomunicações e sinalização

A energia solar fotovoltaica é ideal para aplicações de telecomunicações, incluindo, por exemplo, centrais telefônicas locais, antenas de rádio e televisão, estações repetidoras de micro-ondas e outros tipos de links de comunicação eletrônica. Isto porque, na maioria das aplicações de telecomunicações, são utilizadas baterias de armazenamento e a instalação elétrica é normalmente realizada em corrente contínua (DC). Em terrenos acidentados e montanhosos, os sinais de rádio e televisão podem sofrer interferências ou ser refletidos devido a terrenos ondulados. Nestes locais são instalados transmissores de baixa potência (LPT) para receber e retransmitir o sinal entre a população local.[66]​.

As células fotovoltaicas também são utilizadas para alimentar sistemas de comunicações de emergência "Emergência (desastre)"), por exemplo em postes SOS (Telefone de Emergência) em estradas, sinalização ferroviária, balizas para proteção aeronáutica, estações meteorológicas ou sistemas de monitoramento de dados ambientais e qualidade da água.

Dispositivos isolados

A redução do consumo de energia dos circuitos integrados tornou possível, no final da década de 1970, a utilização de células solares como fonte de eletricidade em calculadoras, como a Royal Solar 1, a Sharp EL-8026 ou a Teal Photon.[67]​.

Outros dispositivos fixos que utilizam energia fotovoltaica também tiveram seu uso aumentado nas últimas décadas, em locais onde o custo de conexão à rede elétrica ou de utilização de baterias descartáveis ​​é proibitivamente caro. Essas aplicações incluem, por exemplo, lâmpadas solares, iluminação pública solar, bombas de água, parquímetros,[68][69]​ telefones de emergência, compactadores de lixo,[70]​ sinais de trânsito temporários ou permanentes, estações de recarga[71][72]​ ou sistemas de vigilância remota.

Eletrificação rural

Em ambientes isolados, onde é necessária pouca energia elétrica e o acesso à rede é difícil, os painéis fotovoltaicos têm sido utilizados como uma alternativa economicamente viável há décadas. Para compreender a importância desta possibilidade, vale a pena ter em conta que aproximadamente um quarto da população mundial ainda não tem acesso à energia elétrica.[73]​.

Nos países em desenvolvimento, muitas aldeias (população rural) estão localizadas em áreas remotas, a vários quilómetros da rede eléctrica mais próxima. Devido a isso, a energia fotovoltaica está sendo cada vez mais incorporada para fornecer eletricidade a residências ou instalações médicas em áreas rurais. Por exemplo, em zonas remotas da Índia, um programa de iluminação rural forneceu iluminação utilizando lâmpadas LED alimentadas por energia solar para substituir lâmpadas de querosene. O preço das lâmpadas solares foi aproximadamente o mesmo que o custo do fornecimento de querosene durante alguns meses.[74]​ Cuba e outros países latino-americanos estão a trabalhar para fornecer energia fotovoltaica em áreas distantes do fornecimento de energia eléctrica convencional.[75]​ Estas são áreas onde os benefícios sociais e económicos para a população local oferecem uma excelente razão para instalar painéis fotovoltaicos, embora tais iniciativas tenham sido tipicamente relegadas a esforços humanitários pontuais.[76]​.

Sistemas de bombeamento

A energia fotovoltaica também é usada para alimentar instalações de bombeamento para sistemas de irrigação, água potável em áreas rurais e bebedouros para gado,[77]​[78]​ ou para sistemas de dessalinização de água.[61]​.

Os sistemas de bombeamento fotovoltaicos (assim como os alimentados por energia eólica) são muito úteis onde o acesso à rede eléctrica geral não é possível ou é proibitivamente caro.[79]​ O seu custo é geralmente mais barato devido aos seus custos de operação e manutenção mais baixos, e têm um menor impacto ambiental do que os sistemas de bombeamento alimentados por motores de combustão interna, que também têm menor fiabilidade.[80]​[81]​.

As bombas utilizadas podem ser de corrente alternada (CA) e de corrente contínua (CC). Normalmente são utilizados motores de corrente contínua para aplicações de pequeno e médio porte de até 3 kW de potência, enquanto para aplicações maiores são utilizados motores de corrente alternada acoplados a um inversor "Inversor (eletrônico)") que transforma a corrente contínua proveniente dos painéis fotovoltaicos para utilização. Isso permite que os sistemas sejam dimensionados de 0,15 kW a mais de 55 kW de potência, que podem ser usados ​​para fornecer irrigação complexa ou sistemas de armazenamento de água.[82][83]​.

Sistemas híbridos solar-diesel

Devido à diminuição dos custos da energia solar fotovoltaica, está também a expandir-se a utilização de sistemas híbridos solar-diesel, que combinam esta energia com geradores a diesel para produzir eletricidade de forma contínua e estável.

Devido à sua viabilidade económica (transportar o gasóleo até ao ponto de consumo é normalmente caro) em muitos casos os geradores antigos são substituídos por fotovoltaicos, enquanto as novas instalações híbridas são concebidas de forma a permitirem a utilização do recurso solar sempre que estiver disponível, minimizando a utilização de geradores, reduzindo assim o impacto ambiental da produção de eletricidade em comunidades remotas e em instalações que não estão ligadas à rede elétrica. Um exemplo disso são as empresas de mineração,[84]​[86]​ cujas operações normalmente estão localizadas em campos abertos, longe de grandes centros populacionais. Nestes casos, a utilização combinada da energia fotovoltaica permite reduzir significativamente a dependência do gasóleo, permitindo poupanças de até 70% no custo da energia.[87]​.

Este tipo de sistema também pode ser utilizado em combinação com outras fontes de geração de energia renovável, como a energia eólica.[88]​.

Transporte e navegação marítima

Embora a energia fotovoltaica ainda não seja amplamente utilizada para fornecer tração no transporte, ela está sendo cada vez mais utilizada para fornecer energia auxiliar em navios e carros. Alguns veículos são equipados com ar condicionado alimentado por painéis fotovoltaicos para limitar a temperatura interior em dias quentes,[89]​ enquanto outros protótipos híbridos os utilizam para recarregar suas baterias sem a necessidade de conexão à rede elétrica.[90]​[91]​ A possibilidade prática de projetar e fabricar veículos movidos a energia solar, bem como barcos[92]​[93]​ e aviões,[94]​ foi amplamente demonstrada, sendo o transporte rodoviário considerado o mais viável para o fotovoltaico.[95]​.

Solar Impulse é um projeto dedicado ao desenvolvimento de uma aeronave movida exclusivamente por energia solar fotovoltaica. O protótipo pode voar durante o dia alimentado pelas células solares que cobrem suas asas, enquanto carrega as baterias que lhe permitem permanecer no ar à noite.[96][97]​.

A energia solar também é comumente usada em faróis, bóias e balizas de navegação marítima, veículos recreativos, sistemas de carregamento para acumuladores elétricos em navios e sistemas de proteção catódica.[61]​ A recarga de veículos elétricos está se tornando cada vez mais importante.[95]​.

Construindo Energia Fotovoltaica Integrada

Muitas instalações fotovoltaicas estão frequentemente localizadas em edifícios: geralmente estão localizadas em um telhado existente ou estão integradas em elementos da própria estrutura do edifício, como claraboias, claraboias ou fachadas.[98]​.

Alternativamente, um sistema fotovoltaico também pode estar localizado fisicamente separado do edifício, mas ligado à instalação eléctrica do edifício para fornecer energia. Em 2010, mais de 80% dos 9.000 MW de energia fotovoltaica que a Alemanha tinha em operação na altura tinham sido instalados em telhados.[99]​.

A energia fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV) está sendo cada vez mais incorporada como fonte primária ou secundária de energia elétrica em novos edifícios domésticos e industriais,[100]​ e até mesmo em outros elementos arquitetônicos, como pontes.[101]​ Telhas com células fotovoltaicas integradas também são bastante comuns neste tipo de integração.

De acordo com um estudo publicado em 2011, o uso de imagens térmicas mostrou que os painéis solares, desde que haja um vão aberto através do qual o ar possa circular entre os painéis e o telhado, proporcionam um efeito de resfriamento passivo nos edifícios durante o dia e também ajudam a manter o calor acumulado durante a noite.[102]​.

Fotovoltaica de conexão à rede

Uma das principais aplicações da energia solar fotovoltaica, mais desenvolvida nos últimos anos, consiste em centrais ligadas à rede para fornecimento de eletricidade,[103]​ bem como em sistemas fotovoltaicos de autoconsumo, de potência geralmente inferior, mas também ligados à rede elétrica.

energia fotovoltaica flutuante

Embora os painéis solares sejam geralmente instalados em terra, é possível instalá-los flutuando nas águas de reservatórios ou lagos calmos.[104]​ Embora seja mais caro, tem muitas vantagens: reduz perdas por evaporação da água do reservatório, melhora sua qualidade (porque crescem menos algas),[105]​ a instalação é mais simples, o resfriamento dos próprios painéis é facilitado (o que aumenta a energia que eles produzem)[104]​ e é uma forma alternativa de reservatórios para usinas hidrelétricas geram eletricidade, sem desperdiçar a água que armazenam ou ocupar terras adicionais.[105]​.

Una planta solar fotovoltaica cuenta con distintos elementos que permiten su funcionamiento, como son los paneles fotovoltaicos para la captación de la radiación solar, y los inversores "Inversor (electrónica)") para la transformación de la corriente continua en corriente alterna.[106]​ Existen otros, los más importantes se mencionan a continuación:.

Painéis solares fotovoltaicos

Geralmente, um módulo ou painel fotovoltaico consiste em uma associação de células, encapsuladas em duas camadas de EVA (etileno-acetato de vinila), entre uma folha frontal de vidro e uma camada posterior de um polímero termoplástico (tedlar é frequentemente usado) ou outra folha de vidro quando se deseja obter módulos com algum grau de transparência. Muito frequentemente este conjunto é enquadrado numa estrutura de alumínio anodizado com o objectivo de aumentar a resistência mecânica do conjunto e facilitar a ancoragem. do módulo às estruturas de suporte.[107]​.

As células mais utilizadas em painéis fotovoltaicos são as de silício, podendo ser divididas em três subcategorias:

• - As células de silício monocristalino são constituídas por um único cristal de silício, normalmente fabricado pelo processo Czochralski.[108]​ Este tipo de célula possui uma cor azul escura uniforme.

• - As células de silício policristalino (também chamadas multicristalinas) são constituídas por um conjunto de cristais de silício, o que explica porque seu desempenho é um pouco inferior ao das células monocristalinas.[64]​ Elas são caracterizadas por uma cor azul mais intensa.

• - Células de silício amorfo. Elas são menos eficientes que as células de silício cristalino, mas também mais baratas. Este tipo de célula é, por exemplo, aquela usada em aplicações solares, como relógios ou calculadoras.[109]​.

A curva corrente versus tensão de um módulo nos fornece informações úteis sobre seu desempenho elétrico.[110] Os processos de fabricação muitas vezes causam diferenças nos parâmetros elétricos de diferentes módulos fotovoltaicos, mesmo em células do mesmo tipo. Portanto, somente a medição experimental da curva I – V permite estabelecer com precisão os parâmetros elétricos de um dispositivo fotovoltaico. Esta medição fornece informações muito relevantes para o projeto, instalação e manutenção de sistemas fotovoltaicos. Normalmente, os parâmetros elétricos dos módulos fotovoltaicos são medidos por testes internos. No entanto, os testes ao ar livre têm vantagens importantes, tais como não é necessária nenhuma fonte de luz artificial cara, não há limitação no tamanho das amostras e a iluminação das amostras é mais homogênea.

O desempenho de um módulo fotovoltaico (FV) depende das condições ambientais, principalmente da irradiância incidente global G no plano do módulo. Porém, a temperatura T da junção p – n também influencia os principais parâmetros elétricos: a corrente de curto-circuito ISC, a tensão de circuito aberto VOC e a potência máxima Pmax. Em geral, sabe-se que o VOC apresenta uma correlação inversa significativa com T, enquanto para o ISC essa correlação é direta, porém mais fraca, portanto esse aumento não compensa a diminuição do VOC. Como consequência, Pmax diminui à medida que T aumenta. Esta correlação entre a potência de saída de uma célula solar e a temperatura de trabalho de sua junção depende do material semicondutor e se deve à influência de T na concentração, vida útil e mobilidade dos portadores intrínsecos, ou seja, elétrons e buracos, dentro da célula fotovoltaica.

A sensibilidade à temperatura é geralmente descrita por coeficientes de temperatura, cada um dos quais expressa a derivada do parâmetro ao qual se refere em relação à temperatura da junção. Os valores destes parâmetros podem ser encontrados em qualquer ficha técnica de módulo fotovoltaico; Eles são os seguintes:

• β: Coeficiente de variação do VOC em relação a T, dado por ∂VOC/∂T.

• α: Coeficiente de variação do ISC em relação a T, dado por ∂ISC/∂T.

• δ: Coeficiente de variação de Pmax em relação a T, dado por ∂Pmax/∂T.

Técnicas para estimar esses coeficientes a partir de dados experimentais podem ser encontradas na literatura[111].

Investidores

A corrente elétrica contínua fornecida pelos módulos fotovoltaicos pode ser transformada em corrente alternada através de um dispositivo eletrónico denominado inversor "Inversor (eletrónica)")[106]​ e injetada na rede elétrica (para venda de energia) ou na rede interior (para autoconsumo).

O processo simplificado seria o seguinte:

• - A energia é gerada em baixas tensões (380-800 V) e corrente contínua.

• - É transformado com um inversor “Inversor (eletrônico)”) em corrente alternada.

• - Nas centrais com potência inferior a 100 kW, a energia é injetada diretamente na rede de distribuição em baixa tensão (400 V em trifásico ou 230 V em monofásico).

• - E para potências superiores a 100 kW, é utilizado um transformador que eleva a energia para média tensão (até 36 kV) e é injetada nas redes de transporte para posterior abastecimento.

Nas fases iniciais de desenvolvimento dos inversores fotovoltaicos, as exigências dos operadores das redes elétricas às quais estavam ligados apenas solicitavam o aporte de energia ativa e a desconexão do inversor da rede caso ultrapassasse determinados limites de tensão e frequência. Com o desenvolvimento progressivo destes equipamentos e a crescente importância das redes elétricas inteligentes, os inversores são hoje capazes de fornecer energia reativa e até mesmo proporcionar estabilidade à rede elétrica.[112]​[113]​.

rastreadores solares

A utilização de rastreadores com um ou dois eixos permite um aumento considerável da produção solar, cerca de 30% para os primeiros e mais 6% para os segundos, em locais com elevada radiação direta.[114]​[115]​.

Os rastreadores solares são bastante comuns em aplicações fotovoltaicas.[116] Existem vários tipos:

• - Em dois eixos: a superfície permanece sempre perpendicular ao Sol.

• - Sobre um eixo polar: a superfície gira sobre um eixo voltado para o sul e inclinada num ângulo igual à latitude. A rotação é ajustada de modo que a normal à superfície coincida sempre com o meridiano terrestre que contém o Sol.

• - Sobre um eixo azimutal: a superfície gira em torno de um eixo vertical, o ângulo da superfície é constante e igual à latitude. A rotação é ajustada de modo que a normal à superfície coincida sempre com o meridiano local que contém o Sol.

• - Sobre um eixo horizontal: a superfície gira sobre um eixo horizontal e está orientada na direção norte-sul. A rotação é ajustada de modo que a normal à superfície coincida sempre com o meridiano terrestre que contém o Sol.

Cabeamento

É o elemento que transporta a energia elétrica desde a sua geração, para sua posterior distribuição e transporte. Seu dimensionamento é determinado pelo critério mais restritivo entre a queda de tensão máxima admissível e a intensidade máxima admissível. O aumento das seções dos condutores obtidas como resultado dos cálculos teóricos proporciona vantagens adicionais, tais como:

• - Linhas mais descarregadas, o que prolonga a vida útil dos cabos.

• - Possibilidade de aumentar a potência da planta sem troca de driver.

• - Melhor resposta a possíveis curto-circuitos.

• - Melhoria do desempenho da instalação.

Centrais de concentração fotovoltaica

Outro tipo de tecnologia em usinas fotovoltaicas são aquelas que utilizam uma tecnologia de concentração chamada CPV (Fotovoltaica Concentrada)[117]​ para maximizar a energia solar recebida pela instalação, assim como em uma usina solar térmica. As instalações de concentração fotovoltaica estão localizadas em locais com elevada irradiação solar direta, como os países de ambas as margens do Mediterrâneo, Austrália, Estados Unidos, China, África do Sul, México, etc. Até 2006, estas tecnologias faziam parte do âmbito da investigação, mas nos últimos anos foram lançadas instalações maiores, como o ISFOC (Instituto de Sistemas Solares Fotovoltaicos Concentrados) em Puertollano (Castela-La Mancha) com 3 MW para fornecer eletricidade à rede elétrica. grade.[118]​[119][120]​.

A ideia básica da concentração fotovoltaica é a substituição do material semicondutor por material reflexivo ou refrator (mais barato). O grau de concentração pode atingir um fator de 1000,[117]​ de tal forma que, dada a pequena área superficial da célula solar utilizada, possa ser utilizada a tecnologia mais eficiente (junção tripla, por exemplo). Por outro lado, o sistema óptico introduz um fator de perda que recupera menos radiação do que a energia fotovoltaica plana. Isto, juntamente com a alta precisão dos sistemas de monitoramento, constitui a principal barreira a ser resolvida pela tecnologia de concentração.

O desenvolvimento de grandes centrais (acima de 1 MW) foi recentemente anunciado.[121] As usinas fotovoltaicas concentradas utilizam um rastreador de eixo duplo para permitir o aproveitamento máximo do recurso solar ao longo do dia.

Entre los años 2001 y 2016 se ha producido un crecimiento exponencial de la producción fotovoltaica, duplicándose aproximadamente cada dos años.[122]​ La potencia total fotovoltaica instalada en el mundo (conectada a red) ascendía a 16 gigavatios (GW) en 2008, 40 GW en 2010, 100 GW en 2012, 180 GW en 2014, 300 GW en 2016 y 500 GW en 2018.[123]​[124]​[125]​[126]​[127]​[9]​[10]​.

Históricamente, Estados Unidos lideró la instalación de energía fotovoltaica desde sus inicios hasta 1996, cuando su capacidad instalada alcanzaba los 77 MW, más que cualquier otro país hasta la fecha. En los años posteriores, fueron superados por Japón, que mantuvo el liderato hasta que a su vez Alemania la sobrepasó en 2005, manteniendo el liderato desde entonces. A comienzos de 2016, Alemania se aproximaba a los 40 GW instalados.[130]​ Sin embargo, por esas fechas China, uno de los países donde la fotovoltaica está experimentando un crecimiento más vertiginoso superó a Alemania, convirtiéndose desde entonces en el mayor productor de energía fotovoltaica del mundo.[130]​ Se espera que multiplique su potencia instalada actual hasta los 200 GW en 2020.[128]​[131]​[132]​.

Produção mundial

A capacidade total instalada já representa uma fração significativa do mix de eletricidade na União Europeia, cobrindo em média 3,5% da demanda de eletricidade e atingindo 7% em períodos de maior produção.[127]​ Em alguns países, como Alemanha,[133][134]​ Itália,[135][136][137][nota 5]​ Reino Unido[138]​ ou Espanha,[139]​ atinge máximos mais elevados. 10%, assim como no Japão[140]​ ou em alguns estados ensolarados dos Estados Unidos, como a Califórnia.[141]​ A produção anual de energia elétrica gerada por esta fonte de energia em todo o mundo foi equivalente em 2015 a cerca de 184 TWh, o suficiente para suprir as necessidades energéticas de milhões de residências e cobrir aproximadamente 1% da demanda global de eletricidade.[127]​.

China

A energia fotovoltaica tornou-se uma das maiores indústrias da República Popular da China. O país asiático é líder mundial em capacidade fotovoltaica, com uma potência instalada de mais de 170 GW no início de 2019.[142]​ Possui também cerca de 400 empresas fotovoltaicas, entre as quais se destacam Trina Solar, Jinko Solar e JA Solar, gigantes globais na fabricação de painéis solares. Em 2014, produziu aproximadamente metade dos produtos fotovoltaicos fabricados no mundo (China e Taiwan respondem juntos por mais de 60% de participação). A produção de painéis e células fotovoltaicas na China aumentou significativamente na última década: em 2001 mantinha uma quota de menos de 1% do mercado mundial, enquanto, ao mesmo tempo, o Japão e os Estados Unidos representavam mais de 70% da produção mundial. No entanto, a tendência inverteu-se e a China ultrapassa actualmente em muito o resto dos produtores.

A capacidade de produção de painéis solares na China praticamente quadruplicou entre 2009 e 2011, ultrapassando mesmo a procura global. Como resultado, a União Europeia acusou a indústria chinesa de praticar dumping, ou seja, vender os seus painéis a preços abaixo do custo, impondo tarifas à importação deste material.[143]​[144]​.

A instalação de energia fotovoltaica desenvolveu-se de forma espetacular no país asiático nos últimos anos, superando inclusive as previsões iniciais. Devido a este rápido crescimento, as autoridades chinesas foram forçadas a reavaliar a sua meta de energia fotovoltaica em diversas ocasiões.

A potência total instalada na China cresceu para 77 GW no final de 2016, depois de conectar 36 GW no ano passado, de acordo com as estatísticas oficiais do país. 2020 para mais de 200 GW.[147]​.

Este crescimento reflecte a queda abrupta dos custos da energia fotovoltaica, que actualmente começa a ser uma opção mais barata do que outras fontes de energia, tanto a preços retalhistas como comerciais. Fontes do governo chinês afirmaram que a energia fotovoltaica terá preços mais competitivos do que o carvão e o gás (proporcionando também maior independência energética) até ao final desta década.[148]​.

EUA

Desde 2010, os Estados Unidos são um dos países com maior atividade no mercado fotovoltaico, conta com grandes empresas do setor, como a First Solar ou a SolarCity, bem como inúmeras centrais de ligação à rede. No início de 2017, os Estados Unidos ultrapassaram 40 GW de energia fotovoltaica instalada,[149]​ suficiente para fornecer eletricidade a mais de 8 milhões de residências, depois de duplicar a sua capacidade solar em menos de dois anos.[150]​.

Embora os Estados Unidos não mantenham uma política energética nacional uniforme em todo o país em relação à energia fotovoltaica, muitos estados estabeleceram individualmente metas de energia renovável, incluindo a energia solar em diferentes proporções neste planejamento. Nesse sentido, o governador da Califórnia, Jerry Brown, assinou legislação exigindo que 33% da eletricidade do estado seja gerada por energia renovável até o final de 2020.[151] Estas medidas foram apoiadas pelo governo federal com a adoção do Crédito Fiscal ao Investimento (ITC), uma isenção fiscal criada em 2006 para promover o desenvolvimento de projetos fotovoltaicos, e que foi recentemente prorrogada até 2023.[152]​.

Um relatório privado[153]​ afirma que a energia solar fotovoltaica expandiu-se rapidamente nos últimos 8 anos, crescendo a uma média de 40% a cada ano. Graças a esta tendência, o custo do kWh produzido pela energia fotovoltaica foi bastante reduzido, enquanto o custo da electricidade gerada por combustíveis fósseis continuou a aumentar. Como resultado, o relatório conclui que a energia fotovoltaica alcançará a paridade da rede com as fontes de energia convencionais em muitas regiões dos Estados Unidos até 2015. Mas para alcançar uma quota de mercado de energia de 10%, continua o relatório, as empresas fotovoltaicas terão de simplificar ainda mais as instalações, para que a energia solar se torne uma tecnologia plug-and-play. Ou seja, é fácil adquirir os componentes de cada sistema e a sua interligação é simples, assim como a sua ligação à rede.[153]​.

Atualmente, a maioria das instalações está conectada à rede e utiliza sistemas de balanceamento de rede que permitem o consumo noturno de eletricidade a partir da energia gerada durante o dia. Nova Jersey lidera os estados com a lei de equilíbrio líquido menos restritiva,[154]​ enquanto a Califórnia lidera o número total de residências com energia solar. Muitos deles foram instalados durante a iniciativa milhões de telhados solares.[155]​.

A tendência atual e a taxa de crescimento indicam que nos próximos anos um grande número de centrais fotovoltaicas será construído no sul e sudoeste do país, onde a terra disponível é abundante, nos desertos ensolarados da Califórnia, Nevada e Arizona. As empresas estão cada vez mais adquirindo grandes áreas nessas áreas, com a intenção de construir fábricas maiores e de grande porte.[156]​.

Japão

A energia fotovoltaica no Japão se expandiu rapidamente desde a década de 1990. O país é um dos líderes na fabricação de módulos fotovoltaicos e está entre os primeiros em potência instalada, com mais de 23 GW no final de 2014, a maior parte conectada à rede.[157][158][159] A irradiância no Japão é ótima, situando-se entre 4,3 e 4,8 kWh·m²·dia, tornando-o um país ideal para o desenvolvimento deste tipo de energia.

A venda de módulos fotovoltaicos para projetos comerciais cresceu rapidamente após a introdução pelo governo japonês, em julho de 2012, de uma tarifa para incentivar a energia fotovoltaica após o acidente nuclear de Fukushima e a paralisação da maioria das centrais nucleares do país.

A maioria dos módulos provém de fabricantes locais, entre os quais se destacam Kyocera, Sharp Corporation, Mitsubishi ou Sanyo, enquanto uma pequena parte é importada, segundo dados da Japan Photovoltaic Energy Association (JPA). 2012.[161]​ Embora esta tendência esteja se invertendo, ainda mais de 75% das células e módulos vendidos no Japão no início de 2012 eram destinados a projetos residenciais, enquanto cerca de 9% eram usados ​​em instalações fotovoltaicas comerciais.[162]​.

Em 2014, a energia fotovoltaica total instalada no país foi de cerca de 23 GW, o que contribuiu com aproximadamente 2,5% para a procura de electricidade do país.[127] Durante o verão de 2015, foi relatado que a produção fotovoltaica no Japão em determinados momentos cobriu 10% da demanda nacional total.[140] Dois anos depois, em 2016, era de cerca de 42 GW,[149]​ e a previsão sugere que o mercado fotovoltaico japonês crescerá ainda mais nos próximos anos.[163]​.

Alemanha

No início de 2016, a Alemanha tinha uma capacidade instalada de cerca de 40 GW.[130]​ Só em 2011, a Alemanha instalou cerca de 7,5 GW,[164]​ e a energia fotovoltaica produziu 18 TW·h de eletricidade, 3% do total consumido no país.[134][165]​.

O mercado fotovoltaico na Alemanha cresceu consideravelmente desde o início do século graças à criação de uma tarifa regulamentada para a produção de energia renovável, que foi introduzida pela "Lei Alemã de Energia Renovável", uma lei publicada em 2000. Desde então, o custo das instalações fotovoltaicas caiu mais de 50% em cinco anos, desde 2006.[166]​ A Alemanha estabeleceu a meta de produzir 35% de sua eletricidade através de energias renováveis em 2020. e atingir 100% em 2050.[167]​.

Em 2012, as tarifas introduzidas custaram à Alemanha cerca de 14 mil milhões de euros por ano, tanto para instalações eólicas como solares. Este custo é distribuído por todos os contribuintes através de um custo adicional de 3,6 cêntimos de euros por kWh[168]​ (aproximadamente 15% do custo total da eletricidade para o consumidor doméstico).[169]​.

A considerável potência instalada na Alemanha bateu vários recordes nos últimos anos. Durante dois dias consecutivos em maio de 2012, por exemplo, as usinas solares fotovoltaicas instaladas no país produziram 22.000 MWh no meio-dia, o que equivale à energia de geração de vinte usinas nucleares funcionando a plena capacidade.[170]​[nota 6]​ A Alemanha quebrou esse recorde em 21 de julho de 2013, com uma potência instantânea de 24 GW ao meio-dia. Devido à natureza altamente distribuída da energia fotovoltaica alemã, aproximadamente 1,3-1,4 milhões de pequenos sistemas fotovoltaicos contribuíram para este novo recorde. Aproximadamente 90% dos painéis solares instalados na Alemanha estão localizados em telhados.[173]​.

Em junho de 2014, a energia fotovoltaica alemã mais uma vez quebrou recordes durante vários dias, produzindo até 50,6% de toda a demanda de eletricidade durante um único dia, e superando o recorde anterior de potência instantânea para 24,24 GW.[174][175][176]​.

No início do Verão de 2011, o Governo alemão anunciou que o actual regime de tarifas reguladas terminaria quando a potência instalada atingisse 52 GW. Quando isso acontecer, a Alemanha aplicará um novo esquema tarifário de injeção, cujos detalhes ainda não são conhecidos.[177]​.

No entanto, consciente de que o armazenamento de energia através de baterias é essencial para a implantação massiva de energias renováveis, como a energia eólica ou a fotovoltaica, dada a sua intermitência, em 1 de maio de 2013, a Alemanha lançou um novo programa de ajuda para incentivar sistemas fotovoltaicos com baterias de armazenamento.[178]​ Desta forma, as instalações fotovoltaicas inferiores a 30 kW que instalam baterias e acumulam eletricidade são financiadas com 660 euros. para cada kW de armazenamento da bateria. O programa está dotado de 25 milhões de euros distribuídos anualmente em 2013 e 2014, e desta forma a energia está disponível quando o recurso não está disponível - não há vento ou é à noite -,[178]​ além de facilitar a estabilidade do sistema elétrico.[179]​.

Índia

A Índia é densamente povoada e também possui alta irradiação solar, tornando o país um dos melhores candidatos para o desenvolvimento da energia fotovoltaica. Em 2009, a Índia anunciou um programa para acelerar a utilização de instalações solares em edifícios governamentais, bem como em hospitais e hotéis.[180]​.

A queda no preço dos painéis fotovoltaicos coincidiu com um aumento no preço da electricidade na Índia. O apoio governamental e a abundância do recurso solar ajudaram a impulsionar a adoção desta tecnologia.[181]​.

O parque solar Charanka de 345 MW (um dos maiores do mundo) foi comissionado em abril de 2012 e ampliado em 2015, juntamente com um total de 605 MW na região de Gujarat. A construção de outros grandes parques solares foi anunciada no estado de Rajasthan.[183] O parque solar Dhirubhai Ambani de 40 MW também foi inaugurado em 2012.[184]​.

Em janeiro de 2015, o governo indiano aumentou significativamente os seus planos de desenvolvimento solar, estabelecendo uma meta de investimento de 100 mil milhões de dólares e 100 GW de capacidade solar até 2022.[185][186]​.

No início de 2017, a capacidade total instalada na Índia estava acima de 10 GW.[187]​ A Índia espera atingir rapidamente 20 GW instalados,[188]​ cumprindo sua meta de criar 1 milhão de empregos[189]​ e atingir 100 GW em 2022.[190][191]​.

Itália

A Itália está entre os primeiros países a produzir eletricidade a partir de energia fotovoltaica, graças ao programa de incentivo denominado Conto Energia.[192]​ O crescimento tem sido exponencial nos últimos anos: a potência instalada triplicou em 2010 e quadruplicou em 2011, produzindo em 2012 5,6% da energia total consumida no país.[135]​.

Este programa teve um orçamento total de 6,7 mil milhões de euros. Atingido este limite, o Governo deixou de incentivar novas instalações, tendo atingido a paridade de rede. Um relatório publicado em 2013 pelo Deutsche Bank concluiu que a paridade da rede tinha de facto sido alcançada em Itália e noutros países ao redor do mundo.

Desde meados de 2012, está em vigor nova legislação que exige o registo de todas as centrais com potência superior a 12 kW; aquelas com menor potência (fotovoltaica em telhados de residências) estão isentas de registro.[195]​ No final de 2016, a potência total instalada era superior a 19 GW,[149]​ assumindo uma produção de energia tão significativa que várias usinas de gás operavam com metade do seu potencial durante o dia.

Reino Unido

A energia solar no Reino Unido, embora relativamente desconhecida até recentemente,[196]​ disparou muito rapidamente nos últimos anos, devido à queda drástica no preço dos painéis fotovoltaicos e à introdução de tarifas reguladas a partir de abril de 2010.[197]​ Em 2014, já existiam cerca de 650.000 instalações solares registadas nas Ilhas Britânicas, com uma capacidade total próxima de 5 GW.[198]​ A maior central solar do país está localizada. em Southwick Estate, perto de Fareham, e tem capacidade de 48 MW. Foi inaugurado em março de 2015.[199]​.

Em 2012, o governo britânico de David Cameron comprometeu-se a abastecer quatro milhões de casas com energia solar em menos de oito anos,[200]​ o que equivale a instalar cerca de 22 GW de capacidade fotovoltaica até 2020.[197]​ No início de 2016, o Reino Unido tinha instalado mais de 10 GW de energia solar fotovoltaica.[201]​.

Entre os meses de abril e setembro de 2016, a energia solar produziu mais eletricidade no Reino Unido (6.964 GWh) do que a produzida pelo carvão (6.342 GWh), ambos representando cerca de 5% da procura.[138]​.

França

O mercado francês é o quarto mais importante da União Europeia, depois dos mercados da Alemanha, Itália e Reino Unido. No final de 2014 tinha mais de 5 GW instalados, e atualmente mantém um crescimento sustentado, estima-se que em 2015 ligue 1 GW adicional à capacidade atual à rede elétrica.[202] Recentemente, o país francês aumentou a cota dos seus leilões de energia fotovoltaica de 400 para 800 MW, como consequência do reconhecimento governamental da cada vez mais competitividade da energia solar.[202]​.

Em França existe uma das maiores centrais fotovoltaicas da Europa, um projeto de 300 MW denominado Cestas.[203]​[204]​[205]​ A sua entrada em funcionamento ocorreu no final de 2015, proporcionando ao setor fotovoltaico um exemplo a seguir pelo resto da indústria europeia.[203]​.

Espanha

A Espanha é um dos países da Europa com maior irradiação anual.[43] Isto torna a energia solar mais lucrativa neste país do que em outros. Regiões como o norte de Espanha, que são geralmente consideradas inadequadas para a energia fotovoltaica, recebem mais irradiação anual do que a média na Alemanha, um país que mantém a liderança na promoção da energia solar fotovoltaica há anos.[43]​.

Desde o início dos anos 2000, de acordo com as medidas de apoio às energias renováveis ​​que estavam a ser levadas a cabo no resto da Europa, foi aprovado o regulamento que estabelece as condições técnicas e administrativas, e que marcou o início de uma lenta descolagem da energia fotovoltaica em Espanha. Em 2004, o governo espanhol eliminou as barreiras económicas à ligação das energias renováveis ​​à rede eléctrica. O Real Decreto 436/2004 igualou as condições para a sua produção em grande escala e garantiu a sua venda através de prémios de geração.[206]​.

Graças a este regulamento, e ao subsequente RD 661/2007,[207] Espanha era em 2008 um dos países com maior potência fotovoltaica instalada no mundo, com 2708 MW instalados num único ano. No entanto, alterações posteriores na legislação do setor[208]​ atrasaram a construção de novas centrais fotovoltaicas, de modo que em 2009 foram instalados apenas 19 MW, em 2010, 420 MW, e em 2011 foram instalados 354 MW, correspondendo a 2% do total na União Europeia.[133]​.

Em termos de produção de energia, em 2010 a energia fotovoltaica cobriu aproximadamente 2% da geração de eletricidade em Espanha, enquanto em 2011 e 2012 representou 2,9%, e em 2013 3,1% da geração de eletricidade segundo dados da operadora Red Eléctrica.[209]​[210][211]​

Em 2018, a quota da energia solar fotovoltaica em Espanha atingiu 3,2% de toda a energia produzida a nível nacional.[212]​.

No início de 2012, o Governo espanhol aprovou um Real Decreto-Lei pelo qual foi paralisada a instalação de novas centrais fotovoltaicas e outras energias renováveis.[213]​ No final de 2015, a potência fotovoltaica instalada em Espanha ascendia a 4.667 MW.[214]​ Em 2017, Espanha caiu pela primeira vez da lista dos dez países com maior capacidade fotovoltaica instalada, sendo superada pela Austrália e pela Coreia. do Sul.[215]​ No entanto, em julho de 2017, o Governo organizou um leilão que atribuiu mais de 3.500 MW de novas centrais de energia fotovoltaica,[216]​ que permitirão à Espanha atingir os objetivos de geração de energia renovável estabelecidos pela União Europeia para 2020. Como novidade, nem a construção das centrais adjudicadas nem a sua operação implicarão qualquer custo para o sistema, exceto no caso de o preço de mercado descer abaixo de um piso. estabelecido no leilão. A grande queda nos custos da energia fotovoltaica permitiu que grandes empresas licitassem a preços de mercado.[217]​.

Em 2019, a energia fotovoltaica aumentou a potência instalada em Espanha em mais de 3.000 MW, com uma potência instalada total de 7.800 MW.[218] Espanha possui a maior central fotovoltaica conectada da Europa, localizada na cidade de Mula (Murcia), com 494 MW.[219]​.

América latina

Na América Latina, a energia fotovoltaica começou a decolar nos últimos anos. A construção de um bom número de usinas solares tem sido proposta em vários países, em toda a região.[221]​.

A energia solar fotovoltaica está em expansão no Brasil, enquanto em 2020 o país tinha 7,8 GW de energia solar instalada, o décimo quarto país do mundo nessa energia, em outubro de 2022 a capacidade instalada atingia um total de 21 GW, com fator de capacidade médio de 23%. Em 2023, o Brasil estará entre os 10 países do mundo com mais energia solar instalada.[222]​ Alguns dos estados brasileiros mais irradiados são Minas Gerais, Bahia e Goiás, que têm uma irradiação entre 4,5 a 6,0 kWh/m²/dia.[223]​[224]​.

O México é o segundo país latino-americano com maior capacidade instalada (7,0 GW em 2021),[225]​ e ainda tem um enorme potencial quando se trata de energia solar.[226]​[227]​ 70% de seu território tem uma irradiação superior a 4,5 kWh/m²/dia, o que o torna um país muito ensolarado, e implica que usando a tecnologia fotovoltaica atual, uma usina solar de 25 km² em qualquer lugar no estado de Chihuahua ou no O Deserto de Sonora (que ocuparia 0,01% da superfície do México) poderia fornecer toda a eletricidade demandada pelo país.[228]​.

O projeto Aura Solar, localizado em La Paz (Baja California Sur) "La Paz (Baja California Sur)"), inaugurado no início de 2014, que pretendia gerar 82 GWh por ano, o suficiente para abastecer o consumo de 164 mil habitantes (65% da população de La Paz "La Paz (Baja California Sur)")), mas foi devastado pelo Furacão Odile em setembro do mesmo ano e a usina parou de operar por vários meses.

Em 2016 foi realizada a reconstrução da central, que foi concluída no final do mesmo ano e de 2017 até à data voltou a funcionar.[229]​.

Outra usina fotovoltaica de 47 MW está em fase de planejamento em Puerto Libertad (Sonora) "Puerto Libertad (Sonora)").[230]​ A usina, originalmente projetada para abrigar 39 MW, foi ampliada para permitir a geração de 107 GWh/ano.[231]​.

O México já possui mais de 3.000 MW instalados. Espera-se que experimente um maior crescimento nos próximos anos, a fim de atingir a meta de cobrir 35% da sua demanda energética a partir de energias renováveis ​​em 2024, de acordo com uma lei aprovada pelo governo mexicano em 2012.[232][233]​.

Até poucos anos atrás, o Chile liderava a produção solar na América Latina (hoje está em terceiro lugar - 4,4 GW em 2021[225]​). A primeira usina solar fotovoltaica do Chile foi El Águila, de 2,2 MWp localizada em Arica, concluída em 2012. Este país inaugurou uma usina fotovoltaica de 100 MW em junho de 2014, que se tornou a maior até hoje na América Latina. O alto preço da eletricidade e os altos níveis de radiação que existem no norte do Chile promoveram a abertura de um importante mercado livre de subsídios.[235]​ No final de 2018, o país andino tinha 2.427 MW de energia fotovoltaica em operação. O Chile tem um potencial de mais de 1.800 GW de energia solar possível no Deserto do Atacama, segundo estudo realizado pela GIZ alemã no Chile (Sociedade Alemã para Cooperação Internacional, 2014). O Deserto do Atacama é o local mais irradiado do mundo, com níveis de irradiação global (GHI) acima de 2700 kWh/m²/ano.

Evolução temporal

A tabela a seguir apresenta o detalhamento da potência global instalada, discriminada por cada país, de 2002 a 2022:

Previsão de longo prazo

De acordo com o relatório Estatísticas de Capacidade Renovável 2023 da Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA), a energia fotovoltaica instalada no mundo atingiu 773,2 GW em 2020, o que representa um crescimento de 22% em relação ao ano anterior.[1] Este crescimento foi o dobro do das energias renováveis como um todo e representou 39% da potência instalada de todas as tecnologias de geração de eletricidade em 2020.

A China foi o principal mercado fotovoltaico em 2020, com 48 GW instalados, seguida pelos Estados Unidos, com 19 GW, e pelo Vietnã, com 11 GW1. A Espanha esteve entre os países com maior aumento percentual na energia fotovoltaica, com um aumento de 31,99%, atingindo **18,2 GW. já que Brasil, Chile e Arábia Saudita ainda não foram desenvolvidos como esperado, e espera-se que o sejam nos próximos anos. Até 2021, esperava-se que a energia fotovoltaica instalada no mundo ultrapassasse 900 GW, e que em 2025 chegaria a 1.500 GW, de acordo com as previsões da SolarPower Europa.[3] A consultoria Frost & Sullivan estima que a energia fotovoltaica atingirá 1.000 GW em 2024, e que a China, a Índia e os Estados Unidos Os estados seguirão sendo os líderes de mercado.

A energia fotovoltaica tem grande potencial para contribuir para a transição energética e a mitigação das alterações climáticas, uma vez que é uma fonte de energia limpa, renovável, descentralizada e competitiva. De acordo com Irena, a energia fotovoltaica poderá cobrir 13% da procura global de eletricidade em 2030 e 23% em 2050. Além disso, a energia fotovoltaica poderá gerar mais de 23 milhões de empregos em 2050 e evitar a emissão de mais de 4 mil milhões de toneladas de CO2 por ano.

A organização PV Market Alliance (PVMA), um consórcio constituído por diversas entidades de investigação, estima que a capacidade global se situe entre 444-630 GW em 2020. No cenário mais pessimista, prevê que a taxa de instalação anual se situe entre 40 e 50 gigawatts no final da década, enquanto no cenário mais optimista estima que entre 60 e 90 GW serão instalados anualmente nos próximos cinco anos. O cenário intermédio estima que estarão entre 50 e 70 GW, para atingir 536 GW em 2020.[247]​[248]​ Os números do PVMA concordam com os publicados anteriormente pela Solar Power Europe. Em junho de 2015, a Greentech Media (GTM) publicou seu relatório para 2020, que estima que as instalações anuais aumentarão de 40 para 135 GW, atingindo uma capacidade global total de quase 700 GW em 2020. A estimativa da GTM é a mais otimista de todas as publicadas até o momento, estimando que 518 GW serão instalados entre 2015 e 2020, o que é mais que o dobro de outras estimativas.[249]​.

En Europa y en el resto del mundo se han construido un gran número de centrales fotovoltaicas a gran escala.[103]​ Actualmente las plantas fotovoltaicas más grandes del mundo son, de acuerdo a su capacidad de producción:[103]​.

Las mayores plantas solares del mundo se encuentran situadas en China e India. Kurnool Solar, en el estado indio de Andhra Pradesh alberga 1 GW de capacidad, equivalente en potencia a una central nuclear. La planta Yanchi Solar, en la provincia de Qinghai (China) cuenta asimismo con dicha capacidad. Entre los primeros puestos se encuentra también Longyangxia Hydro-Solar PV Station, situada junto a la presa de Longyangxia en China. Consiste en un macrocomplejo hidroeléctrico de 1280 MW, al que posteriormente se le añadió una central fotovoltaica de 320 MW, completada en 2013. A finales de 2015 se inauguró una segunda fase de 530 MW, lo que elevó la potencia total de la planta solar hasta los 850 MW.[251]​[252]​[253]​.

Otros proyectos de gran escala se encuentran situados en Estados Unidos. Solar Star, tiene una potencia de 579 MW y se encuentra en California.[254]​[255]​ Las plantas Topaz Solar Farm y Desert Sunlight Solar Farm en Riverside County, también en California, tiene asimismo una potencia de 550 MW.[256]​[257]​ El proyecto Blythe Solar Power consiste en una planta fotovoltaica de 500 MW, situada igualmente en Riverside County, cuya construcción está prevista próximamente.[258]​ En Europa, la planta de mayor envergadura está ubicada en Murcia (España). Cuenta con una capacidad de 494 MW y entró en operación en 2019.[218]​.

Hay otras muchas plantas de gran escala en construcción. El McCoy Solar Energy Project,[259]​[260]​ en Estados Unidos, tendrá una potencia de 750 MW una vez completado.[261]​ En los últimos años, se ha propuesto la construcción de varias plantas de potencias superiores a los 1000 MW en diferentes lugares del mundo. La planta Quaid-e-Azam Solar Park, situada en Pakistán y cuya primera fase ya se encuentra operativa con 100 MW,[262]​[263]​[264]​ tiene previsto ampliar su capacidad hasta los 1500 MW.[265]​ Los Emiratos Árabes Unidos planean también la construcción de una planta de 1000 MW.[266]​[267]​[268]​ El Ordos Solar Project,[269]​ situado en China, alcanzará los 2000 MW.[270]​ El proyecto Westlands Solar Park tiene una capacidad prevista de 2700 MW,[271]​ a ser completado en varias fases. El proyecto de Ladakh, en India, planea albergar 5 GW de capacidad fotovoltaica.[272]​.

En lo que respecta a instalaciones fotovoltaicas sobre tejado, la mayor instalación se encuentra en las instalaciones de Renault Samsung Motors en Busan (Corea del Sur), y cuenta con 20 MW distribuidos sobre las diferentes cubiertas, aparcamientos e infraestructuras del complejo. Inaugurada en 2013, proporciona energía a la fábrica y miles de hogares cercanos.[273]​.

Armazenamento de energia fotovoltaica usando baterias

O armazenamento de energia apresenta-se como um grande desafio para permitir um fornecimento contínuo de energia, visto que a energia solar não pode ser gerada durante a noite. As baterias recarregáveis ​​têm sido tradicionalmente utilizadas para armazenar o excesso de eletricidade em sistemas isolados. Com o surgimento de sistemas conectados à rede, o excesso de eletricidade pode ser transportado através da rede elétrica até os pontos de consumo. Quando a produção de energia renovável representa uma pequena fracção da procura, outras fontes de energia podem ajustar a sua produção de forma adequada para apoiar a variabilidade das fontes renováveis, mas com o crescimento das fontes renováveis, é necessário um controlo mais adequado para equilibrar a rede.

Com a queda dos preços, as usinas fotovoltaicas passam a ter baterias para controlar a potência de saída ou armazenar o excesso de energia para que possa ser utilizada nos horários em que as usinas renováveis ​​não podem gerar diretamente. Este tipo de baterias permite estabilizar a rede elétrica, suavizando os picos de demanda por minutos ou horas. Espera-se que no futuro estas baterias desempenhem um papel importante na rede elétrica, pois podem ser carregadas em períodos em que a geração excede a procura e despejar essa energia na rede quando a procura é superior à geração.

Por exemplo, em Porto Rico, um sistema com capacidade de 20 megawatts durante 15 minutos (5 megawatts-hora) é utilizado para estabilizar a frequência da rede na ilha. Outro sistema de 27 megawatts por 15 minutos (6,75 megawatts-hora) com baterias de níquel-cádmio foi instalado em Fairbanks, Alasca, em 2003, para estabilizar a tensão das linhas de transmissão.[274]​.

A maioria desses bancos de baterias está localizada próxima às próprias usinas fotovoltaicas. Os maiores sistemas nos Estados Unidos incluem a bateria de 31,5 MW na usina Grand Ridge Power em Illinois, e a bateria de 31,5 MW em Beech Ridge, Virgínia. Projetos notáveis incluem o sistema de 400 MWh (100 MW por quatro horas) do projeto Southern California Edison e um projeto de 52 MWh em Kauai, Havaí, que substitui completamente a produção de 13MW para uso após o pôr do sol.[276]​ Outros projetos estão localizados em Fairbanks (40 MW por 7 minutos usando baterias de níquel-cádmio)[277]​ e em Notrees (Texas) (36 MW por 40 minutos usando baterias de chumbo-ácido).[278]​.

Em 2015, foram instalados nos Estados Unidos um total de 221 MW com armazenamento de bateria, e estima-se que a potência total deste tipo de sistemas crescerá para 1,7 GW em 2020. A maioria instalada por empresas grossistas no mercado dos EUA.[279]​.

O autoconsumo fotovoltaico consiste na produção individual de energia elétrica em pequena escala para consumo próprio, através de painéis fotovoltaicos. Isto pode ser complementado com o saldo líquido. Este esquema de produção, que permite compensar o consumo de eletricidade com o gerado por uma instalação fotovoltaica em momentos de menor consumo, já foi implementado com sucesso em muitos países. Foi proposto em Espanha pela Associação da Indústria Fotovoltaica (ASIF) para promover a eletricidade renovável sem a necessidade de apoio financeiro adicional,[280]​ e estava em fase de projeto pela IDAE.[281]​ Foi posteriormente incluído no Plano de Energias Renováveis ​​2011-2020,[282]​ mas ainda não foi regulamentado.

Contudo, nos últimos anos, devido ao aumento crescente de pequenas instalações de energia renovável, o autoconsumo com saldo líquido começou a ser regulamentado em vários países do mundo, sendo uma realidade em países como Alemanha, Itália, Dinamarca, Japão, Austrália, Estados Unidos, Canadá e México, entre outros.

Entre as vantagens do autoconsumo em relação ao consumo da rede estão as seguintes:.

• - Com o menor custo dos sistemas de autoconsumo e o aumento das tarifas de energia elétrica, é cada vez mais rentável produzir a própria eletricidade.[17]​.

• - A dependência das empresas eléctricas é reduzida.

• - Os sistemas fotovoltaicos de autoconsumo utilizam energia solar, fonte gratuita, inesgotável, limpa e amiga do ambiente.

• - É gerado um sistema distribuído de geração de eletricidade que reduz a necessidade de investimento em novas redes e reduz as perdas de energia devido ao transporte de eletricidade através da rede.[283]​.

• - A dependência energética do país do mundo exterior é reduzida.

• - Evitam-se problemas no atendimento de toda a demanda nos horários de pico, conhecidos por quedas e picos de energia.

• - O impacto das instalações eléctricas na sua envolvente é minimizado.

• - As empresas reduzem os seus custos energéticos, melhoram a sua imagem e reforçam o seu compromisso com o ambiente.[284]​.

No caso do autoconsumo fotovoltaico, o tempo de retorno do investimento é calculado com base na quantidade de eletricidade que deixa de ser consumida da rede, devido à utilização de painéis fotovoltaicos.

Por exemplo, na Alemanha, com preços de eletricidade de 0,25 euros/kWh e uma insolação de 900 kWh/kWp, uma instalação de 1 kWp poupa cerca de 225 euros por ano, o que com custos de instalação de 1.700 euros/kWp significa que o sistema se pagará a si próprio em menos de 7 anos.[285] Este valor é ainda menor em países como Espanha, com uma irradiação superior à existente no norte. do continente europeu.[43]​.

El efecto de la temperatura sobre los módulos fotovoltaicos se suele cuantificar mediante unos coeficientes que relacionan las variaciones de la tensión en circuito abierto, de la corriente de cortocircuito y de la potencia máxima a los cambios de temperatura. En este artículo, directrices experimentales integrales para estimar los coeficientes de temperatura[286]​.

Las eficiencias de las células solares varían entre el 6 % de aquellas basadas en silicio amorfo hasta el 46 % de las células multiunión.[288]​[289]​ Las eficiencias de conversión de las células solares que se utilizan en los módulos fotovoltaicos comerciales (de silicio monocristalino o policristalino) se encuentran en torno al 16-22 %.[290]​[291]​.

El coste de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67 $/Wp en 1977 hasta aproximadamente 0,36 $/Wp en 2014.[287]​[292]​ Esta tendencia sigue la llamada ley de Swanson, una predicción similar a la conocida Ley de Moore, que establece que los precios de los módulos solares descienden un 20 % cada vez que se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica.[293]​.

En 2014, el precio de los módulos solares se había reducido en un 80 % desde el verano de 2008,[294]​[295]​ colocando a la energía solar por primera vez en una posición ventajosa respecto al precio de la electricidad pagado por el consumidor en un buen número de regiones soleadas.[296]​ En este sentido, el coste medio de generación eléctrica de la energía solar fotovoltaica es ya competitivo con el de las fuentes convencionales de energía en una creciente lista de países,[297]​ particularmente cuando se considera la hora de generación de dicha energía, ya que la electricidad es usualmente más cara durante el día.[298]​ Se ha producido una dura competencia en la cadena de producción, y asimismo se esperan mayores caídas del coste de la energía fotovoltaica en los próximos años, lo que supone una creciente amenaza al dominio de las fuentes de generación basadas en las energías fósiles.[299]​ Conforme pasa el tiempo, las tecnologías de generación renovable son generalmente más baratas,[300]​[301]​ mientras que las energías fósiles se vuelven más caras:.

En 2011, el coste de la fotovoltaica había caído bastante por debajo del de la energía nuclear,[303]​ y se espera que siga cayendo:[304]​.

La tendencia es que los precios disminuyan aún más con el tiempo una vez que los componentes fotovoltaicos han entrado en una clara y directa fase industrial.[306]​[307]​ A finales de 2012, el precio medio de los módulos fotovoltaicos había caído a 0,50 $/Wp, y las previsiones apuntan que su precio seguirá reduciéndose hasta los 0,36 $/Wp en 2017.[308]​.

En 2015, el Instituto alemán Fraunhofer especializado en energía solar (ISE) realizó un estudio que concluía que la mayoría de los escenarios previstos para el desarrollo de la energía solar infravaloran la importancia de la fotovoltaica.[309]​ El estudio realizado por el instituto Fraunhofer estimaba que el coste levelizado (LCOE) de la energía solar fotovoltaica para plantas de conexión a red se situará a largo plazo entre 0,02 y 0,04 €/kWh, niveles inferiores a los de las fuentes de energía convencionales.[310]​.

Energia fotovoltaica de filme fino

Outra alternativa de baixo custo às células de silício cristalino é a energia fotovoltaica de película fina, que se baseia em células solares de terceira geração.[312] Eles consistem em uma célula solar que é fabricada através da deposição de uma ou mais camadas finas (filme fino) de material fotovoltaico sobre um substrato.

As células solares de película fina são geralmente classificadas de acordo com o material fotovoltaico utilizado:.

• - Silício amorfo (a-Si) e outros silício de película fina (TF-Si)[313]​.

• - Telureto de cádmio (CdTe)[314]​.

• - Cobre, índio, gálio e seleneto (CIS ou CIGS)[315]​.

• - Células solares sensibilizadas por corante (DSC)[316]​ e outras células solares orgânicas.[317]​.

A Conferência Internacional de Energia Solar de Baixo Custo em Sevilha, realizada em Fevereiro de 2009, foi a primeira vitrine do mesmo em Espanha.[318]​ Esta tecnologia causou grandes expectativas no seu início. No entanto, a queda acentuada no preço das células e módulos de silício policristalino desde o final de 2011 significou que alguns fabricantes de películas finas foram forçados a sair do mercado, enquanto outros viram os seus lucros bastante reduzidos.[319]​.

La cantidad de energía solar que alcanza a la superficie terrestre es enorme, cerca de 122 petavatios (PW), y equivale a casi 10 000 veces más que los 13 TW consumidos por la humanidad en 2005.[320]​ Esta abundancia sugiere que no pasará mucho tiempo antes de que la energía solar se convierta en la principal fuente de energía de la humanidad.[321]​ Adicionalmente, la generación eléctrica mediante fotovoltaica presenta la mayor densidad energética (una media global de 170 W/m²) de todas las energías renovables.[320]​.

A diferencia de las tecnologías de generación de energía basadas en combustibles fósiles, la energía solar fotovoltaica no produce ningún tipo de emisiones nocivas durante su funcionamiento,[1]​ aunque la producción de los paneles fotovoltaicos presenta también un cierto impacto ambiental. Los residuos finales generados durante la fase de producción de los componentes, así como las emisiones de las factorías, pueden gestionarse mediante controles de contaminación ya existentes. Durante los últimos años también se han desarrollado tecnologías de reciclaje para gestionar los diferentes elementos fotovoltaicos al finalizar su vida útil,[322]​ y se están llevando a cabo programas para incrementar el reciclaje entre los productores fotovoltaicos.[323]​.

La tasa de retorno energético de esta tecnología, por su parte, es cada vez mayor. Con la tecnología actual, los paneles fotovoltaicos recuperan la energía necesaria para su fabricación en un período comprendido entre 6 meses y 1 año y medio; teniendo en cuenta que su vida útil media es superior a 30 años, producen electricidad limpia durante más del 95 % de su ciclo de vida.[324]​.

Emissões de gases de efeito estufa

As emissões de gases de efeito estufa ao longo do ciclo de vida da energia fotovoltaica são próximas de 46 g/kWh, e podem até ser reduzidas para 15 g/kWh num futuro próximo.[325]​

Em comparação, uma usina de gás de ciclo combinado emite entre 400-599 g/kWh,[326]​ uma usina a diesel 893 g/kWh,[326]​ uma usina a carvão 915-994 g/kWh[327]​ ou com tecnologia de captura de carbono cerca de 200 g/kWh (excluindo emissões durante a extração e transporte de carvão), e uma usina geotérmica de alta temperatura, entre 91-122 g/kWh.[326]​ A intensidade das emissões para o ciclo de vida da energia hidráulica, eólica e nuclear é inferior à da energia fotovoltaica, segundo dados publicados pelo IPCC em 2011.[326]​.

Tal como todas as fontes de energia cujas emissões dependem principalmente das fases de construção e transporte, a transição para uma economia de baixo carbono poderia reduzir ainda mais as emissões de dióxido de carbono durante o fabrico de dispositivos solares.

Um sistema fotovoltaico de 1 kW economiza a combustão de aproximadamente 77 kg (170 libras) de carvão, evita a emissão na atmosfera de cerca de 136 kg (300 libras) de dióxido de carbono e economiza o uso de cerca de 400 litros (105 galões) de água mensalmente.[328]​.

Degradação de módulos fotovoltaicos

A produção de energia de um dispositivo fotovoltaico (PV) diminui com o tempo. Esta diminuição deve-se à sua exposição à radiação solar, bem como a outras condições externas. A taxa de degradação, que é definida como a percentagem anual de perda de potência de saída, é um factor chave na determinação da produção a longo prazo de uma central fotovoltaica. Para estimar esta degradação, a percentagem de diminuição associada a cada um dos parâmetros eléctricos é quantificada separadamente. Deve-se notar que a degradação de um módulo fotovoltaico individual pode influenciar significativamente o desempenho de uma cadeia inteira. Além disso, nem todos os módulos na mesma instalação diminuem o seu desempenho exatamente na mesma proporção. Dado um conjunto de módulos expostos a condições exteriores de longa duração, deve ser considerada a degradação individual dos principais parâmetros eléctricos e o aumento da sua dispersão. Como cada módulo tende a degradar-se de forma diferente, o comportamento dos módulos se tornará cada vez mais diferente ao longo do tempo, afetando negativamente o desempenho geral da planta.

Existem diversos estudos que tratam da análise da degradação de energia de módulos baseados em diferentes tecnologias fotovoltaicas disponíveis na literatura. De acordo com um estudo recente,[329]​ a degradação dos módulos de silício cristalino é muito regular, variando entre 0,8% e 1,0% ao ano.

Por outro lado, se analisarmos o desempenho dos módulos fotovoltaicos de película fina, observa-se um período inicial de forte degradação (que pode durar vários meses e até 2 anos), seguido de uma fase subsequente em que a degradação se estabiliza, sendo então comparável ao que o silício cristalino pode ter.[330]​ Nestas tecnologias de película fina, também se observam fortes variações sazonais porque a influência do espectro solar é muito maior. Por exemplo, para módulos de silício amorfo, silício micromórfico ou teluleto de cádmio, estamos falando de taxas de degradação anuais para os primeiros anos entre 3% e 4%.[331]​ No entanto, outras tecnologias, como CIGS, têm taxas de degradação muito mais baixas, mesmo nesses primeiros anos.

Reciclagem de módulos fotovoltaicos

Uma instalação fotovoltaica pode funcionar durante 30 anos ou mais[332]​ com pouca manutenção ou intervenção após o seu arranque, pelo que, após o custo de investimento inicial necessário para construir uma instalação fotovoltaica, os seus custos operacionais são muito baixos em comparação com o resto das fontes de energia existentes. No final da sua vida útil, a maior parte dos painéis fotovoltaicos pode ser tratada. Graças às inovações tecnológicas desenvolvidas nos últimos anos, até 95% de certos materiais semicondutores e vidro podem ser recuperados, bem como grandes quantidades de metais ferrosos e não ferrosos usados ​​em módulos.[333]​ Algumas empresas privadas[334]​ e organizações sem fins lucrativos, como a PV CYCLE na União Europeia, estão trabalhando em operações de coleta e reciclagem de painéis em fim de vida.[335]​.

Duas das soluções de reciclagem mais comuns são:.

• - Painéis de silicone: As esquadrias de alumínio e caixas de ligação são desmontadas manualmente no início do processo. O painel é triturado e as diferentes frações são separadas: vidro, plásticos e metais.[336]​ É possível recuperar mais de 80% do peso recebido[337]​ e, por exemplo, o vidro misto extraído é facilmente aceito pelas indústrias de espuma de vidro e isolamento. Este processo pode ser realizado por recicladores de vidro plano, uma vez que a morfologia e a composição de um painel fotovoltaico são semelhantes às do vidro plano utilizado nas indústrias de construção e automotiva.

• - Painéis feitos de outros materiais: Hoje existem tecnologias específicas para reciclagem de painéis fotovoltaicos que não contêm silício; algumas técnicas utilizam banhos químicos para separar os diferentes materiais semicondutores.[338]​ Para painéis de telureto de cádmio, o processo de reciclagem começa com a trituração do módulo e, posteriormente, com a separação das diferentes partes. Este processo de reciclagem é projetado para recuperar até 90% do vidro e 95% dos materiais semicondutores.[339]​ Nos últimos anos, algumas empresas privadas lançaram instalações de reciclagem em escala comercial.[340]​.

Desde 2010, realiza-se na Europa uma conferência anual que reúne produtores, recicladores e investigadores para discutir o futuro da reciclagem de módulos fotovoltaicos. Em 2012 ocorreu em Madrid.[341][342]​.

• - Portal:Energia. Conteúdo relacionado a Energia.

• - Portal:Ecologia. Conteúdo relacionado a Ecologia.

• - O Wikimedia Commons hospeda uma categoria multimídia sobre Energia Solar Fotovoltaica.

• - Site da UNEF (União Fotovoltaica Espanhola) Principal associação do setor fotovoltaico em Espanha.

• - Site Fotovoltaica em Espanha (Universitat Politècnica de València).

• - PV Magazine Latin America Notícias do setor fotovoltaico em espanhol.

• - PVGIS. Cálculo preciso da radiação solar e do desempenho de usinas fotovoltaicas.

• - Banco de dados Atlas Global da IRENA para Energia Solar e Eólica.

• - Programa Fotovoltaico da Agência Internacional de Energia.