Energia Solar Fotovoltaica
Como a luz do sol é convertida diretamente em eletricidade — e como a posição do sol no céu ao longo do dia determina o quanto de energia seus painéis conseguem captar.
O sol como fonte inesgotável de energia
O sol irradia uma quantidade colossal de energia em todas as direções. A fração dessa energia que chega à superfície da Terra — chamada de irradiância solar — é de aproximadamente 1 361 W/m² fora da atmosfera (a chamada constante solar). Ao atravessar a atmosfera, parte dessa energia é absorvida e espalhada, chegando ao solo com valores menores, que dependem do ângulo do sol, da espessura da atmosfera percorrida e das condições climáticas.
O Brasil recebe uma das maiores irradiâncias solares do mundo. O interior do Nordeste e do Centro-Oeste registra médias anuais superiores a 5,5 kWh/m²/dia, tornando o país um dos melhores locais do planeta para geração solar. A energia solar fotovoltaica — que converte a luz diretamente em corrente elétrica usando semicondutores — cresceu de forma explosiva no Brasil nos últimos anos, já ultrapassando 40 GW de capacidade instalada.
Um painel solar fotovoltaico é formado por células solares, cada uma feita de material semicondutor (normalmente silício). Quando fótons de luz atingem a célula, eles transferem energia aos elétrons, arrancando-os de suas posições e gerando uma corrente elétrica — o chamado efeito fotovoltaico, descoberto por Edmond Becquerel em 1839 e explicado por Einstein em 1905 (trabalho que lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física em 1921).
A quantidade de energia gerada depende de três fatores principais: a irradiância que chega ao painel (W/m²), a área total dos painéis (m²) e o rendimento η das células, que indica qual fração da energia luminosa é convertida em energia elétrica.
A expressão da potência solar
A potência elétrica gerada por um conjunto de painéis solares é diretamente proporcional à irradiância incidente e à área dos painéis:
A irradiância G não é constante ao longo do dia — ela depende do ângulo de elevação do sol no céu. Quando o sol está baixo (amanhecer ou entardecer), os raios percorrem uma camada mais espessa de atmosfera e chegam mais oblíquos ao painel, reduzindo G. Ao meio-dia solar, o sol atinge sua máxima elevação e G é máxima.
A inclinação do painel (ângulo β em relação ao horizontal) também é crucial. No hemisfério sul, os painéis devem ser voltados para o norte geográfico e inclinados em um ângulo próximo à latitude local para maximizar a captação anual. Para Tupã-SP, a latitude é aproximadamente 22°S, portanto a inclinação ótima é em torno de β ≈ 22°.
A massa de ar (AM) é um conceito importante: representa quantas vezes a espessura normal da atmosfera os raios solares atravessam. Ao nível do mar com o sol a pino, AM = 1. Quanto mais oblíquo o sol, maior a massa de ar e maior a absorção. A irradiância direta no solo segue aproximadamente a lei empírica: