Usina de energia solar: como funciona e importância

A energia solar é uma promissora fonte de energia renovável, com um papel importante na transição energética. As usinas de energia solar, ao aproveitarem a radiação emitida pelo Sol, transformam-na em eletricidade por meio de processos com baixa emissão de gases de efeito estufa. Este aspecto é crucial para mitigar os efeitos negativos das mudanças climáticas.

Entretanto, existem impactos decorrentes de sua instalação e funcionamento que precisam ser gerenciados com responsabilidade. Neste sentido, é preciso analisar todas as dimensões da implantação de uma usina de energia solar, a fim de reduzir ao máximo as possíveis adversidades.

Quais são os tipos de usinas de energia solar?

Usina de energia solar termossolar

A usina termosolar é aquela cujo objetivo é a conversão de radiação solar em energia térmica. Para isso, são usadas placas solares para captar o calor gerado pelo Sol e transmití-lo para um material líquido ou gasoso, como a água (1).

Essa energia térmica pode ser convertida em eletricidade, pela movimentação de turbinas com a passagem de vapor em alta pressão, utilizada diretamente para aquecimento residencial ou em outros processos industriais (2).

Usina de energia fotovoltaica

A usina fotovoltaica é estruturada de modo a converter a radiação solar diretamente em eletricidade. Este tipo de usina é o mais comum, e utiliza placas fotovoltaicas para captar a radiação solar e convertê-la em eletricidade. Essa energia elétrica, então, pode ser distribuída para uso direto ou armazenada para ser utilizada posteriormente.

Como funciona uma usina de energia solar?

Uma usina solar é uma instalação que converte a luz solar em eletricidade usando painéis solares equipados com células fotovoltaicas, aproveitando o efeito fotovoltaico para gerar corrente elétrica. Além disso, é possível produzir energia térmica por meio de placas solares.

Placas solares e painéis fotovoltaicos

A placa solar é um equipamento que converte diretamente a luz solar em energia térmica. Esse processo, conhecido como geração de energia solar térmica ou fototérmica, aproveita o calor do sol de maneira direta. Em sua estrutura, as placas solares utilizam coletores solares ou tubos a vácuo para captar e transferir o calor gerado pela radiação solar para um meio gasoso ou líquido, como água.

Já os painéis fotovoltaicos são dispositivos de captação de energia solar, compostos por células solares interligadas. Essas estruturas geralmente consistem de várias fileiras de células dispostas em uma matriz, encapsuladas em material transparente para proteção contra adversidades externas.

Células fotovoltaicas

As células fotovoltaicas são unidades presentes nos painéis fotovoltaicos, compostas principalmente de material semicondutor, como o silício. Quando expostas à luz solar, elas geram energia elétrica através do fenômeno conhecido como efeito fotovoltaico (3). Cada célula é projetada para absorver fótons da luz solar, liberando elétrons que, em movimento, criam uma corrente elétrica contínua.

Efeito fotovoltaico

O efeito fotovoltaico é um fenômeno físico no qual a luz incidente sobre um material semicondutor gera a liberação de elétrons, resultando na criação de uma corrente elétrica contínua. Esse processo ocorre nas células fotovoltaicas quando os fótons da luz solar interagem com os átomos do material semicondutor, promovendo a movimentação dos elétrons.

Essa corrente contínua, uma vez coletada e direcionada por meio de circuitos integrados nos painéis fotovoltaicos, é convertida em corrente alternada em equipamentos chamados de inversores, tornando-se adequadas para uso em redes elétricas convencionais (4).

Armazenamento e uso

Após a conversão da energia elétrica, ela está pronta para ser integrada à rede elétrica ou armazenada para uso posterior. No caso da integração à rede, a eletricidade flui para a infraestrutura elétrica convencional, onde pode ser utilizada imediatamente pelos consumidores.

Em sistemas de armazenamento, a corrente alternada pode ser direcionada para baterias, convertendo-se novamente em corrente contínua para o armazenamento eficiente.

Quando a demanda por eletricidade excede a geração solar direta, como durante a noite ou em condições climáticas de baixa incidência solar, a energia armazenada nas baterias pode ser liberada, novamente transformada em corrente alternada para atender à demanda.

Vantagens da usina de energia solar

Energia limpa

A principal vantagem da energia solar é sua natureza limpa e renovável. Ao contrário de fontes de energia não renováveis, como petróleo, gás natural e carvão mineral, a geração em si de eletricidade a partir da luz solar não emite gases de efeito estufa, contribuindo para a redução da pegada de carbono dos sistemas de geração de energia.

Flexibilidade geográfica de instalação

A energia solar oferece alta versatilidade geográfica, podendo ser implementada em diversos locais, desde áreas urbanas até regiões remotas. A modularidade (capacidade de serem configuradas em diferentes tamanhos) das usinas solares permite adaptação a variadas demandas e espaços disponíveis para instalação (5).

Segurança energética

A energia solar, ao favorecer a independência de importação de combustíveis fósseis, fortalece a segurança energética e impulsiona a autonomia dos países em sua matriz energética. Dessa forma, ela contribui tanto para a preservação do meio ambiente quanto para a construção de sistemas energéticos mais resilientes e autossuficientes.

Desafios para implementação de usinas solares

Custo inicial elevado

O custo inicial elevado é uma barreira para a adoção generalizada. No entanto, a tendência é de redução de custos com avanços tecnológicos e economias de escala, tornando a energia solar mais acessível a longo prazo.

Integração na rede elétrica

A variabilidade da geração de energia solar fotovoltaica pode ser um desafio, uma vez que em períodos com grande quantidade de captação de radiação, a produção de energia pode exceder a capacidade de suporte e transmissão da rede elétrica. Nestes casos, opta-se pelo chamado curtailment, que é o processo de corte de produção para não sobrecarregar o sistema. Quando isso ocorre, a energia solar que poderia estar sendo aproveitada, é desperdiçada, o que acarreta na redução da eficiência energética.

Para evitar o curtailment, é preciso o desenvolvimento de tecnologias de armazenamento de energia e aprimoramento na gestão da rede elétrica, a fim de distribuir eficientemente a eletricidade e não criar pontos de sobrecarga no sistema, garantindo uma transição eficaz para fontes de energias renováveis.

Manutenção

A localização de usinas solares em áreas com alta incidência de luz solar, muitas vezes associadas a climas áridos, apresenta desafios significativos de manutenção. A acumulação de poeira nos painéis e placas solares pode reduzir a eficiência da captação de radiação, exigindo limpeza frequente para garantir o desempenho ideal (6).

Em regiões onde a água é um recurso escasso, essa demanda constante por manutenção pode representar um obstáculo adicional (7). A adoção de revestimentos antiaderentes (8) e sistemas automatizados de limpeza (9) podem contribuir para a superação destes desafios, mas os altos custos destas tecnologias dificultam sua adesão por pequenos produtores (10).

Fabricação e descarte de placas solares

Durante o processo de fabricação de placas e painéis solares, há emissões de gases de efeito estufa e utilização de recursos naturais (11). Além disso, a fabricação desses painéis requer o uso de produtos químicos cáusticos, como hidróxido de sódio e ácido hidrofluórico, que podem poluir o meio ambiente se não forem gerenciados adequadamente (12).

Além disso, o descarte inadequado pode levar à liberação de substâncias tóxicas no meio ambiente, contaminando solos e corpos hídricos, além de impactar populações locais (13). Segundo um artigo publicado na revista Harvard Business Review, a taxa de substituição de painéis solares é mais rápida do que o esperado e, dado o alto custo atual de reciclagem, existe um risco real que uma quantidade considerável de painéis usados sejam enviados diretamente a aterros sanitários.

Portanto, medidas que aumentem a efetividade e a adesão por reciclagem de placas solares são cruciais para que haja viabilidade econômica e ambiental na implementação em larga escala de sistemas de energia solar e a transição rumo à sustentabilidade ambiental.