Células Solares

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA INTELIGENTE
(IPV - INTELLIGENT PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY)

PROJETO E CAPTAÇÃO MÁXIMA DE ENERGIA DE DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS ECONÔMICOS POR INTELIGÊNCIA COMPUTACIONAL

A necessidade do uso de energias renováveis é um assunto recorrente quando se trata de preocupação ambiental. Em meio a discussões sobre matrizes energéticas, a preservação do meio ambiente surge como preocupação constante, enfatizando a importância de fontes renováveis, como o uso destas células solares para a geração de energia em áreas remotas e urbanas.

Neste âmbito, o ICA: Laboratório de Inteligência Computacional Aplicada do Departamento de Engenharia Elétrica, do Centro Técnico Científico da PUC-Rio (CTC/PUC-Rio), faz uso da Nanotecnologia e de todas as técnicas que compõem a Inteligência Computacional no projeto denominado, Energia Solar Fotovoltaica Inteligente, IPV. A ferramenta computacional emprega o estado da arte de algoritmos evolucionários e simuladores de energia, moleculares e de efeitos fotovoltaicos nanoestruturados, para projetar células fotovoltaicas de alto eficiência e baixo custo e ainda elaborar o projeto ótimo de instalação em qualquer tipo de edificação com o intuito de atingir a captação máxima de energia solar, considerando as condições ambientais.

Neste processo, usa-se o computador, associado a um modelo inteligente de otimização, para buscar a melhor configuração para os tipos de celulares solares: nanoestruturas semicondutores, filmes finos e híbridas. A utilização de técnicas de programação paralelas e computação de alto desempenho, também é um fator essencial presente no sistema.

O projeto desenvolvido engloba outras características inéditas e fundamentais. O foco volta-se para o desenvolvimento de células solares híbridas a partir do Nióbio, minério abundante no Brasil, sobretudo em Minas Gerais, onde estão concentradas 98% de suas reservas. Aliando eficiência e baixo custo, estas células surgem como uma novidade no campo dos dispositivos fotovoltaicos tradicionais, devido à elevada estabilidade, potencial para aplicação simples em qualquer tipo de superfície e fácil preparação. Esta medida só é possível graças ao advento da Nanotecnologia.

As células mais comuns encontradas no mercado são baseadas em pastilhas de silício, cujo alto custo de produção, aliado ao objetivo de aumentar a eficiência de conversão de energia solar destas células em eletricidade, fez com que crescesse o interesse na preparação de células solares de fotovoltaicas de filmes finos e espessos com outros materiais, como óxidos de metais de transição e corantes orgânicos.

Com o auxílio da Nanotecnologia e da Inteligência Computacional, as células fotovoltaicas apresentam eficiência de conversão de 28%, bem acima das células utilizadas comercialmente, que chegam a resultados de até 16%.

Além da maior eficiência, a questão econômica também é relevante no projeto. Por meio de filmes finos de dióxido de nióbio, busca-se gerar células fotovoltaicas que também podem ser empregadas em ambientes isolados onde seja inviável o uso da rede elétrica convencional, tais como comunidades em locais distantes, estações de telecomunicações, zonas de mineração, plataformas em alto-mar e indústrias.

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Por serem de baixo custo e feitas de material não-tóxico e não-corrosivo, estudo comprovam que as células solares de filmes são o melhor material para a obtenção de energia. Estas células são sensibilizadas por corantes de diversas tonalidades, sendo o de cor verde o mais eficiente para produzir eletricidade. Células solares de filmes podem ser estampadas em vidros e em demais superfícies, além de serem ótimas para novas construções, nas quais são incorporadas em paredes de concreto, telhados e painéis de vidro. Essa tecnologia é 50% mais barata e de fácil montagem.

Para o desenvolvimento de células solares de filmes finos, vários óxidos metálicos são testados, dopados ou não, tais como: SnO2, TiO2, ZnO, CeO2 e Nb2O5. Cabe ressaltar, que a utilização da maioria dos óxidos de metais de transição usados em dispositivos fotovoltaicos de filmes finos ainda é limitada devido ao seu elevado custo e a necessidade do emprego de técnicas caras no tratamento destes óxidos metálicos para serem usados na forma de filmes finos. A utilização de filmes finos de óxidos de nióbio, dopados ou não, é ainda pouco explorada em células solares. No entanto, pesquisas recentes têm testado a eficiência destes óxidos em dispositivos fotovoltaicos.

Por outro lado, o projeto e construção de edificações sempre envolveram a necessidade de se considerar diversos elementos relacionados à arquitetura e engenharia. Entre estes elementos, pode-se destacar a forma arquitetônica, a funcionalidade, o conforto e a integração com o ambiente que cerca a edificação. No entanto, após a Segunda. Guerra Mundial, a preocupação com o consumo de energia diminuiu consideravelmente e só veio a crescer novamente com as crises energéticas que começaram na década de 80, com a crise do petróleo.

Esta preocupação, aliada à também crescente preocupação com a sustentabilidade, tem feito com que arquitetos e engenheiros passem a se preocupar com os impactos ambientais gerados pela construção da edificação. Todo o processo de construção tem, de alguma forma, impacto sobre o meio ambiente, desde a escolha dos materiais que serão utilizados até a utilização de energia pelos usuários finais da edificação.

Sendo assim, a capacidade de se criar projetos arquitetônicos e de engenharia que sejam capazes de respeitar estas demandas tem se tornado um atrativo importante para o projeto de edificações. Em particular, é interessante que os projetos arquitetônicos sejam capazes de:


  • Minimizar o consumo de energia elétrica, em particular o consumo relativo à iluminação artificial e ao condicionamento de ar;
  • Minimizar o custo e o uso de materiais, em particular o uso de materiais que, na sua produção, causem impactos ambientais; e
  • Considerar a instalação de dispositivos fotovoltaicos de modo a maximizar a captação de energia solar.







O sistema desenvolvido pelo ICA da PUC-Rio emprega um software capaz de otimizar variáveis relacionadas à construção de uma edificação que influenciam o consumo de energia elétrica e o impacto ambiental. Entre outras variáveis, pode-se citar: dispositivos fotovoltaicos, os tipos de materiais utilizados na construção e diversos aspectos arquitetônicos como a orientação da edificação em relação ao norte geográfico e ambientais.

A ferramenta faz uso de uma técnica da Inteligência Computacional denominada Algoritmos Genéticos, capaz de fazer a otimização das variáveis e avaliar a qualidade das respostas através do uso de simuladores de energia. O modelo utiliza simuladores de carga e conforto térmico como, por exemplo, o EnergyPlus, desenvolvido pelo Departamento de Energia dos EUA, e o ESP-r, desenvolvido por um grupo de universidades europeias e canadenses. Para otimizar a captação de energia de um projeto da edificação, desenvolvido por um arquiteto ou engenheiro, o sistema emprega uma base de materiais e dispositivos fotovoltaicos, além de variáveis climáticas e de localização geográfica da edificação.

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