Glauco Diniz Duarte – como fazer uma placa fotovoltaica com led

Segundo o Dr. Glauco Diniz Duarte, a energia solar é a energia contida na radiação solar que chega à superfície da Terra e que pode ser aproveitada por meio de sua conversão em energia elétrica ou calor, pelo efeito fotovoltaico através de painéis fotovoltaicos ou por coletores solares. A utilização de painéis fotovoltaicos, bem como qualquer dispositivo semicondutor, permite a geração de energia elétrica. Esta é uma alternativa viável para vários níveis de demanda de energia elétrica.

Atualmente, existem, comercialmente, painéis solares de diversos tamanhos, formatos e potências, inclusive, no formato de telhas para se adequar à arquitetura residencial. Os geradores solares fotovoltaicos, de qualquer porte ou tamanho, podem ser instalados isoladamente ou interligados à rede de energia elétrica, podem ser combinados com aerogeradores em sistemas híbridos, ou ainda em banco de baterias para armazenamento de energia.

A microgeracao solar é uma alternativa viável para o consumidor final, não apenas como microgeracao de energia, mas também para a redução de consumo desnecessário de energia elétrica da concessionária. A problematização acerca do gasto energético, presente em equipamentos em stand-by, não é algo atual, mas sim uma luta que vem se tornando evidente ao longo dos anos. Estudos sobre este tema está presente em vários países, a exemplo da pesquisa feita por Nakagami H. (1999), apresentada na Conference on Energy Efficiency in Household Appliances, em que foram medidos os consumos energéticos de equipamentos em stand-by em diversas residências japonesas.

Segundo o relatório australiano Energy Efficient Strategies (2006), o consumo em stand-by equivalia a cerca de 807 kWh/ano, quase 10,7% da conta de energia elétrica dos consumidores. Para o país, o gasto estimado era de cerca de 950 milhões de dólares ao ano, resultando na emissão de 6,5 milhões de toneladas de CO2. O governo australiano, em conjunto com o seu departamento de tecnologia e inovação, promoveu uma meta estratégica com empresas distribuidoras de eletrônicos, denominada MCE 2002, tendo como propósito a redução de gastos de stand-by em dez anos. Segundo Cormack (2016), tendo como base um levantamento realizado naquele ano, os aparelhos eletrônicos em stand-by na Austrália consumiram cerca de 860 milhões de dólares em um ano, resultando em cerca de 2,6 milhões de toneladas de CO2 emitidos na atmosfera. Isso resultou em uma redução de 90 milhões de dólares e de 3,9 milhões de toneladas a menos de CO2 emitidas.

Este problema também atinge o Brasil. Segundo um estudo baseado em um modelo de família de quatro pessoas realizado pela Proteste em 2014, a televisão e o aparelho de ar condicionado tipo split se destacaram no estudo; ambos em modo stand-by tiveram um gasto de R$ 12,00 e R$ 8,00 ao ano respectivamente. O forno de micro-ondas e o som eletrônico também apresentam alto gasto em stand-by, consumindo cerca de 20% a mais do que quando usado uma hora todos os dias ao ano. Russo (2016) ressalta ainda que deixar o forno de micro-ondas ligado na tomada pode gastar, por ano, quatro vezes mais energia do que quando usado na potência máxima por 20 minutos por dia. Em termos do impacto disso na conta de energia elétrica final de um consumidor, segundo Camargo (2015), todos os aparelhos em stand-by podem representar 12% do consumo de uma casa. Caso o aparelho seja usado por duas horas, duas vezes por semana, ficando o resto do tempo em stand-by, em um mês vai consumir energia suficiente para usar o aparelho de DVD por quatro meses. Analisando sistemas em stand-by para apenas um consumidor, os valores aparentam pequenos, porém, o desperdício energético envolvido em grande escala, como em um país, se torna muito alto. Segundo Cormack (2016), a Agência de Energia Internacional (International Energy Agency) estima que existem cerca de 14 bilhões de equipamentos eletrônicos online e esse valor pode chegar a 100 bilhões em 2030.

Com o incentivo às energias renováveis, o custo da instalação de sistemas solares vem diminuindo anualmente, ao passo que o custo da eletricidade tem aumentado. No Brasil, a Resolução Normativa da Aneel nº 687, de 24 de novembro de 2015, que trata da microgeração distribuída, permite a injeção de energia em troca de créditos em kWh na conta de energia elétrica residencial e comercial. Sendo assim, a geração de energia descentralizada torna-se bastante viável economicamente para o uso em residências. Em longo prazo, após recuperar o investimento feito, pode-se observar uma economia considerável, fazendo desta uma boa alternativa. Além disso, a implementação de um sistema solar em uma residência contribui para reduzir impactos ambientais e valorização do imóvel. O projeto proposto tem como objetivo analisar a viabilidade do uso de sistemas de geração de energia solar em dispositivos eletrônicos de pequeno porte em stand-by em unidades residenciais. Neste trabalho serão usados, como dispositivo gerador de energia elétrica fotovoltaica, diversos tipos de Leds (Diodos Emissores de Luz, do inglês Light Emitting Diode), em cores variadas, com o intuito de ser analisada a viabilidade de seu uso em pequenos equipamentos ligados em stand-by.

Revisão bibliográfica

O aproveitamento da energia solar não é recente, no entanto, o aproveitamento da energia solar fotovoltaica só foi possível graças ao desenvolvimento dos semicondutores na década de

1950 e, nos últimos 50 anos, foi usada comercialmente após os avanços da tecnologia de semicondutores. A geração solar fotovoltaica é uma das fontes de energia mais promissoras para a produção de energia elétrica e a Alemanha é o país que mais investe neste tipo de fonte. O potencial solar e a produção de energia solar fotovoltaica brasileira são muito altos, com altíssima qualidade em todo o Nordeste, o que nos dá condições muito propícias ao uso deste tipo de geração. De acordo com Tolmasquim (2016), a irradiação solar na região Nordeste, próximo a linha do Equador, é praticamente constante o ano todo, conforme apresentado na Figura 1.

De forma geral, um sistema solar fotovoltaico é composto de painéis fotovoltaicos, controlador de carga, inversor DC/AC (ou inversor Grid Tie para sistemas conectados à rede) e banco de baterias estacionárias quando é necessária armazenagem. Basicamente, os painéis fotovoltaicos podem ser de silício cristalino (Monocristalinos ou Policristalinos) ou de filmes finos (silício amorfo, telureto de cádmio ou disseleneto de cobre-índio-gálio). Os painéis fotovoltaicos ainda podem ser acoplados aos sistemas de rastreio solar para melhor aproveitamento da radiação solar.

O problema dos equipamentos em stand-by é preocupação de muitos países e vários trabalhos abordam este tema. DE ALMEIDA (2011) afirma que são necessários padrões mais ambiciosos de desempenho energético mínimo em conformidade com a diretiva Eco-Design. Além disso, serão necessárias campanhas de informação adicionais para superar a falta de informação e a conscientização dos consumidores e varejistas para alcançar mudanças comportamentais em relação aos aparelhos com eficiência energética. Segundo AJAY-D-VIMAL et al (2009), o consumo de energia em stand-by pode ser reduzido, em média, até 75%, com projetos econômicos e melhorias tecnológicas, e economias de até 90% podem ser alcançadas em muitos aparelhos sem redução nos serviços. Na Tabela 1 é apresentado o consumo de alguns equipamentos eletroeletrônicos em stand-by, com dados obtidos do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, de 2016.

O consumo residencial de energia elétrica no Brasil, conforme dados publicados pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE), está em torno de 20% da oferta de energia no Brasil. Segundo este trabalho, deste total perto de 5% são devidos aos equipamentos em stand-by, que chega próximo a 6% da energia gerada por Itaipu em 2016. Isso mostra o quanto se perde de energia elétrica nestes equipamentos. Haja vista que cargas individuais precisam de pequena quantidade de energia quando estão em stand-by, que painéis fotovoltaicos são dispendiosos e requer muitos cuidados ao manusear e instalar, uma proposta é o uso de LEDs para geração de pequena quantidade de energia elétrica.

Existe uma vasta bibliografia que trata de dispositivos semicondutores e Leds. Segundo Grundmann (2006), Leds são dispositivos fotônicos que utilizam do princípio básico da geração de luz através dos fótons. Para Sze e Ng (2007), Leds são semicondutores que foram injetados com portadores recombinados radioativamente, em que o processo de recombinação responsável por emitir luz pode ser de natureza intrínseca, extrínseca ou recombinação de banda e, dependendo das condições de fabricação, um Led pode emitir radiação ultravioleta, visível e infravermelha do espectro eletromagnético. Devido à característica de junção PN na interface semicondutora, um Led é capaz de gerar energia elétrica pela captação de energia solar através do efeito fotovoltaico. Além disso, segundo Alves e Silva (2008), os Leds vermelhos de 5 mm com encapsulamento transparente são os que apresentam melhores resultados na utilização do sistema como célula fotovoltaica.

Esse efeito é explicado por Zweibel e Kenneth (1984). Segundo os autores, quando a luz de baixa energia é emitida sobre um cristal de Si, faz com que os átomos vibrem e troquem de posições, porém, a energia adquirida não é suficiente para provocar a quebra da cadeia e da ligação covalente existente. Os elétrons são sim afetados, ganhado mais energia, mas como o ganho de energia não é estável, eles retornam ao seu nível normal, cedendo calor ao sistema. Quando se trata de materiais com uma junção PN, o processo de absorção da luz é semelhante ao do cristal de Si, ou a um semicondutor comum.

O foco deste artigo reside em uma aplicação em potencial: a microgeração de energia elétrica para consumo de energia elétrica em stand-by de equipamentos eletroeletrônicos. Propomos o uso de Leds, por serem simples de obter, de baixo custo, fáceis e seguros de manusear.

Resultados experimentais

Aqui serão descritos os componentes e os equipamentos usados para a realização do trabalho, bem como a montagem, as medidas e os testes realizados. A geração de energia do sistema fotovoltaico a Led conectada a pequenas cargas pode ser dimensionada para pequenas aplicações sem muito esforço e os resultados foram coletados em laboratório na Universidade Federal Rural do Semi-Árido, Campus Central (Mossoró). Foram feitos três conjuntos de medições:

1. Proto board com quatro circuitos de 10 Leds (10 mm) de alto brilho expostos ao sol e em dia semi nublado, dispostos em série, cada um com um espectro de emissão diferente (vermelho, branco, amarelo e verde) voltados ao norte, com 593 W/m2 (céu limpo) e 337,3 W/m2 (céu nublado) de irradiação solar para cada aferição. O proto board é disposto rente ao plano e com carga. Os dados foram coletados em dois horários: 9h00 às09h45, 13h10 às 14h10, conforme apresentados nas Tabelas 2 e 3.

1. Proto board com quatro circuitos de 10 Leds (10 mm) de alto brilho expostos ao sol, dispostos em série, cada um com um espectro de emissão diferente (vermelho, branco, amarelo e verde) em dia ensolarado, com 1057 W/m2 e 1016 W/m2 de irradiação solar para cada aferição, proto-board com aproximadamente 23° de inclinação e com carga. Os dados foram coletados em dois horários: 9h00 às 09h45 com o proto-board voltado ao Norte e no segundo horário, 13h10 às 14h10 com o proto-board voltado ao Noroeste, como mostrado nas Tabelas 4 e 5.

1. Proto board com quatro circuitos de 10 Leds (10 mm) de alto brilho expostos ao ambiente interno do laboratório (indoor), dispostos em série-paralelo, sendo 5 Leds em série organizados em duas fileiras em paralelo uma com a outra, cada um com um espectro de emissão diferente (vermelho, branco, amarelo e verde) para ter um nível de corrente elétrica maior. Os resultados são apresentados na Tabela 6.

Para a conexão dos Leds com a carga foi acrescentado um capacitor eletrolítico de 220 µF para manter o nível de tensão mais estável e uma pequena carga de poucos mW, o que resultou nas medidas apresentadas nas Tabelas 2 a 6. Foi usado um proto-board MP-2420 A, da Minipa, e as medidas foram feitas com um multímetro digital profissional MD-5770 da ICEL.

Para o circuito montado, referente à Tabela 6, foi possível carregar uma calculadora digital simples, utilizando o circuito de Leds vermelhos em paralelo com um capacitor de 220 µF para manter a tensão de saída mais estável. O sistema também conseguiu funcionar e carregar o capacitor ao ser colocado dentro do laboratório (indoor). Isso permite que o circuito seja aplicado a dispositivos eletrônicos fornecendo carga para stand-by, aumentando a eficiência e diminuindo o gasto energético.

Nas medidas, se percebe que as cores dos Leds influenciam no resultado, sendo os Leds de cor verde a darem o pior resultado, seguidos dos Leds brancos, amarelos e, por fim, os vermelhos, com melhores resultados. O horário do dia é um fator importante na geração de energia e a geração quando se está em ambiente indoor é muito reduzida, quando comparada com o ambiente externo.

Na Figura 3 são apresentadas as tensões, em mV, e as potências, em µW, em comparação com as cargas, em Ω, para o terceiro caso medido, ambiente interno (indoor). Este é o caso mais interessante, que mostra a quantidade de energia elétrica gerada dentro do laboratório e que poderia ser usado para alimentar pequenas cargas em stand-by. A Figura 4 apresenta as curvas características para o diodo vermelho, por ser a cor que apresentou melhores condições. Neste gráfico são apresentadas as correntes elétricas em mA e as potências em µW geradas nas medições versus as tensões geradas em mV.

As Figuras 3 e 4 mostram que cargas com baixa exigência de potência, como no caso de equipamentos em stand-by, pode ser alimentadas por Leds. Obteve-se, com os Leds vermelhos, uma tensão mais elevada do que com os demais Leds e uma potência gerada suficiente para alimentar pequenas cargas.

Conclusão

Neste trabalho, o Led vermelho, nas medições dentro do laboratório (indoor), mostrou-se o melhor candidato para gerar energia elétrica por efeito fotovoltaico. O sistema foi conectado a uma calculadora digital e a instrumentos de medição, e teve seu regime de funcionamento mantido, mesmo com iluminação artificial.

Foi verificado experimentalmente que os Leds podem gerar energia elétrica, porém, as cores dos Leds influenciam. Cada cor é gerada por um tipo de material diferente, que constitui o dispositivo semicondutor do Led, e isso influencia na geração de energia elétrica. Foi observado também que a cor vermelha é a que melhor atende ao propósito do equipamento.

Como foi apresentado no texto, um único Led não consegue sozinho suprir as necessidades de uma pequena carga, mesmo pequena. Porém, vários Leds podem ser conectados em série e em paralelo para aumentar a tensão e a corrente elétrica geradas, respectivamente. Para manter a tensão mais estável para a carga, podem ser conectados capacitores em paralelo. Apesar da baixíssima potência gerada, é possível alcançar miliwatts (mW). No experimento indoor chegou-se a 0,02 mW, e, fora do laboratório, foi obtido 1,8 mW com o Led vermelho a sol pleno no céu.

Pode-se destacar como uma aplicação muito útil a alimentação de cargas em stand-by. Os Leds geram energia apenas durante o dia ou quando as luzes do ambiente estiverem acesas, com uma geração deficitária, mas suficiente para alimentar pequenas cargas. Outra possibilidade seria o uso como sistema isolado com banco de baterias para alimentar o equipamento em stand-by no período noturno. De qualquer forma, o objetivo principal seria atingido, ou seja, a redução de consumo de energia elétrica, evitando-se desperdício.

O uso da microgeração de energia é viável, independentemente da forma como ocorre a geração ou da quantidade de energia gerada. As aplicações em pequenas cargas são muitas e possíveis de serem alimentadas pelo próprio equipamento por meio de Leds.