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MATERIAIS ELÉTRICOS Materiais Semicondutores

 Aplicação de células fotooltaicas emsistemas de !eração e distri"uição deener!ia

FACULDADE ESTÁCIO DO RECIFE

ENGENHARIA ELÉTRICA

 

#R$%O MO&$ME&TO AO

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TERIAIS ELÉTRICOS

teriais Semicondutores

licação de células fotooltaicas em sistemas de !eração e distri"uição de e

FACULDADE ESTÁCIO DO RECIFE

ENGENHARIA ELÉTRICA

 

• Paulo Viana -201308341725

• Leandro Nascimento -201307041051

• Eraldo Monteiro -201504150589

• as!in"ton #li$eira -201308180871

• Pro*+ %o,son %amal!o• )iscilina - .E0252•  /urma - 3002• .amus - )om &osco%ec

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Vdeo retirado!tts+outu,e+co

todea

"ree introdução so"re as células fotooltaicas

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Energia Renovável

 

Conceito' 6 auela ue $em derecursos naturais como sol $ento c!u$amars e ener"ia "eotrmica ue s:orecursos reno$;$eis <naturalmenterea,astecidos=+

 

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Energia Solar  

# 'ol a nossa maior *onte de ener"iaoderosa dur;$el con>;$el e dison$el emtodo o mundo+ ? cada !ora a lu@ solar ueatin"e a terra maior do ue a uantidade deener"ia utili@ada or cada essoa no laneta emum ano inteiro+ ? ener"ia *oto$oltaica umatecnolo"ia $ers;til e AeB$el ode ser utili@adaara atender uase todas as necessidades emraticamente ualuer local+ No esaCo e no arna terra e no mar as clulas *oto$oltaicasrodu@em ener"ia uando e onde *or necess;rio+

Conceito'6 auela ro$iniente do 'ol tendo cotrmica e ou luminosa ossi,ilitandtrans*ormaC:o em outras *ormas de utili@ada or meio de di*erentes tecnconstante e$oluC:o como o auecimener"ia solar *oto$oltaica a ener"ia

aruitetura solar e a *otossntese art

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Formas de Arovei!amen!o e

Trans"orma#$o da Energia Solar  

Ener!ia Térmica Esta utili@ada ,asicamente ara auecer desde euenos trocadoresara am,ientes como auecer ;"ua em euenas caldeiras redial caldeiras ara utili"randes caldeiras utili@adas ara "eraC:o de $aor a ser utili@ado na ndustria+ E /ermoeltrica

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Formas de Arovei!amen!o e

Trans"orma#$o da Energia Solar  

Ener!ia Luminosa Dtili@ada ara luminar am,ientes atra$s de tel!ado translucido e ou aroriada ara o am,iente como tam,m utili@ada ara "eraC:o de ener"ia eltrictrans*ormada atra$s de ainis *oto$oltaicos+

# desen$ol$imento dos ainis *otos *oi oss$el com a desco,eraer*eiCoamento dos 'emicondutores+

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Semi%ond&!or  

(e)nição )esco,ertos em 1874 or &raun Semicondutores s:o slidos "eralmeconduti$idade eltrica intermedi;ria entre condutores e isolantes+ #s semicondutores s:osemel!antes aos materiais cerFmicos odendo ser considerados como uma su,classe da ce'eu emre"o imortante na *a,ricaC:o de comonentes eletrGnicos tais como diodos trde di$ersos "raus de comleBidade tecnol"ica microrocessadores e nanocirc

nanotecnolo"ia+ Portanto atualmente o elemento semicondutor rimordial na indHcon*ecC:o de seus comonentes+

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Sil'%io ( Si ) 

*ist+ria' # silcio < do latm silex  slica = *oi identi>cadoela rimeira $e@ or ?ntoine La$oisier em 1787 eosteriormente considerado como elemento orIum!r )a$ em 1800+Em 1811   Jose!-Louis Ka-Lussac  eLouis Jacues /!nard ro$a$elmente reararamsilcio amor*o  imuro auecendo ot;ssio  com

tetracloreto de silcio+ Em 1824  Jns Jaco, &er@elius  rearou silcio amor*oemre"ando um mtodo similar ao de Ka-Lussac uri>cando deois o roduto o,tido comla$a"ens sucessi$as at isolar o elemento+EBiste uma re"i:o na .ali*rnia  c!amada$ale do 'ilcio onde se concentra $arias emresasdo ramo de roduC:o industrial desemicondutores  de 'ilcio+ # nome da re"i:o euma !omena"em ao elemento resons;$el or

%rincipais Caracteristic'uas roriedades s:o intermcar,ono e o "ermFnio+ Na *orduro e ouco solH$el aremet;lico e uma coloraC:

elemento relati$amente inertda maioria dos ;cidos rea"e;lcalis+ # silcio transmite comrimentos de onda radiaCQes in*ra$ermel!as+

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Sil'%io ( Si ) 

Aplicaç,es'Dtili@ado ara a roduC:o de li"as met;licas na rearaC:o de silicones na indHstria cematerial semicondutor  muito a,undante tem um interesse muito esecial na imicroeletrGnica como material ,;sico ara a roduC:o de transistores ara c!is clulas $ariedades de circuitos eletrGnicos+ Por esta ra@:o con!ecida como -ale do sil.cio  aEstados Dnidos= onde est:o concentrados numerosas emresas do setor de eletrGnica e in*o# silcio um elemento $ital em numerosas indHstrias+#utros imortantes usos do silcio s:o.omo car"a em materiais de re$estimento e comsitos de cimento como cerFmicas+.omo elemento de li"a em *undiCQes+Dtili@ado tam,m como elemento de li"aC:o entre restauraCQes em orcelana e cerGmero e #s cristais de uart@o tam,m ossuem uma roriedade esecial c!amada de ie@eletricidcaracterstica consiste em trans*ormar ener"ia mecFnica diretamente em ener"ia eltrica e'uas alicaCQes $ariam desde alto-*alantes ie@eltricos a"ul!a ara toca-discos e cristais o

circuitos eletrGnicos ue tra,al!am com *reROncias+

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Tipos de células /otooltaicas deSil.cio

Sil.cioMonocristalino Si0m Estas clulas o,tOm-se a artir

de ,arras cilndricas de silciomonocristalino rodu@idas em*ornos eseciais+ ?s clulas s:o

o,tidas or corte das ,arras em*orma de astil!as >nas <04-05 mm de esessura=+ ? suae>ciOncia na con$ers:o de lu@solar em eletricidade sueriora 12+

Sil.cio %olicristalinoSi0mEstas clulas s:o rodu@idas a

artir de ,locos de silcioo,tidos or *us:o de silcio uroem moldes eseciais+ Dma $e@

nos moldes o silcio arre*ecelentamente e solidi>ca-se+Neste rocesso os ;tomos n:ose or"ani@am num Hnico cristal+Sorma-se uma estruturaolicristalina com suer*cies desearaC:o entre os cristais+ 'uae>ciOncia na con$ers:o de lu@solar em eletricidade li"eiramente menor do ue nas

de silcio monocristalino+

Estas clumeio dacamadas mou o

semicondusuer*cies'ua e>ciOde lu@ so$aria entre

Sil.cio

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Tipos de células /otooltaicas deSil.cio

'ilcio Monocristalino'i-m

'ilcio Policristalino 'i-

'ilcio

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Sil'%io ( Si ) 

Celulas /otoelétricas 1 /oto -oltaicas2 '# uso de silcio nos ainis solares  tem aumentado muito no sculo TT de$ido areocuaC:o mundial com o auecimento "lo,al+ # uso de clulas *otoeltricasara a o,tenC:o de eletricidade aro$eita um recurso ines"ot;$el a ener"ia solar+? rimeira "eraC:o de clulas *oto$oltaicas constituda elas clulas de silciocristalino+ ?s clulas consistem de uma lFmina de silcio na ual *ormada uma

 UunC:o -n dodo de UunC:o caa@ de "erar ener"ia eltrica utili@;$el a artir de*ontes de lu@ com comrimentos de onda da lu@ solar+? rimeira "eraC:o de clulas constitui a tecnolo"ia dominante em termos deroduC:o comercial reresentando mais de 80 do mercado mundial+ # e*eito*oto$oltaico *oi desco,erto ela rimeira $e@ em 1839 or Edmond &ecuerel+Entretanto s as 1883 ue as rimeiras clulas *otoeltricas *oram construdasor .!arles Sritts ue co,riu o selOnio  semicondutor com uma camadaeBtremamente >na de ouro de modo a *ormar UunCQes+?o conUunto de clulas *otoeltricas c!ama-se laca *oto$oltaica cuUo uso !oUe

,astante comum em lu"ares a*astados da rede eltrica con$encional+ EBistemlacas de $;rias otOncias e tensQes di*erentes ara os mais di$ersos usos+ #s

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Como /uncionam as Células/otooltaicas3

?s clulas *oto$oltaicas reali@am essa con$ers:o sem artesm$eis rudo oluiC:o radiaC:o ou s:o li$res de manutenC:o+?s clulas *oto$oltaicas s:o *eitas de um material semicondutor"eralmente de sil.cio  ue tratado uimicamente ara criaruma camada de car"a ositi$a e uma camada de car"a ne"ati$a+uando a lu@ solar atin"e uma clula *oto$oltaica um eltron

desaloUado+ Estes eltrons s:o recol!idos or >os li"ados clula*ormando uma corrente eltrica+ uanto mais clulas maior acorrente e tens:o+ Dm certo nHmero de clulas disostas lado alado *ormam um mdulo ou ainel *oto$oltaico $;rios mdulos Uuntos *ormam um arranUo de ainis *oto$oltaicos+ #s mdulos$endidos comercialmente ossuem otOncias ue $ariam desde4 5atts até 677 5atts e rodu@em corrente contnua <cc=semel!ante a corrente da ,ateria de um autom$el+

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/uncionamento das Células/otooltaicas

.lulas *oto$oltaicas s:o *a,ricadas com material semicondutorou seUa material com caractersticas intermdias entre umcondutor e um isolante+# silcio aresenta-se normalmente como areia+ ?tra$s demtodos adeuados o,tm-se o silcio em *orma ura+ # cristal

de silcio uro n:o ossui eltrons li$res e ortanto malcondutor eltrico+ Para alterar isto acrescentam-se orcenta"ensde outros elementos+ Este rocesso denomina-se doa"em+ ?doa"em do silcio com o *s*oro o,tm-se um material comeltrons li$res ou materiais com ortadores de car"a ne"ati$a<silcio tio N=+%eali@ando o mesmo rocesso mas a"ora acrescentado &oro aoin$s de Ss*oro o,tm-se um material com caractersticasin$ersas ou seUa *alta de eltrons ou material com car"as

ositi$as li$res <silcio tio P=+ .ada clula solar comQe-se decamada >na de material ti o N e outra com maior es essura de

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/uncionamento das Células/otooltaicas

'earadamente am,as as caas s:o eletricamente neutras+ Masao serem unidas na re"i:o P-N *orma-se um camo eltricode$ido aos eltrons li$res do silcio tio N ue ocuam os $a@iosda estrutura do silcio tio P+ ?o incidir lu@ so,re a clula*oto$oltaica os *tons c!ocam-se com outros eltrons da

estrutura do silcio *ornecendo-l!es ener"ia e trans*ormando-osem condutores+ )e$ido ao camo eltrico "erado ela UunC:o P-N os eltrons s:o orientados e Auem da camada WPX ara acamada WNX+Por meio de um condutor eBterno li"ando a camada ne"ati$a ositi$a "era-se um AuBo de eltrons <corrente eltrica=+Enuanto a lu@ incidir na clula manter-se-; este AuBo+ ?intensidade da corrente eltrica "erada $ariar; na mesmaroorC:o con*orme a intensidade da lu@ incidente+ Dma clula

*oto$oltaica n:o arma@ena ener"ia eltrica+ ?enas mantm umAuBo de eltrons esta,elecidos num circuito eltrico en uanto

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*odelo de &ma %+l&la Fo!ovol!ai%a

Mdulos *oto$oltaicos uando eBostos radiaC:osolar "eram ener"ia eltrica em corrente contnua+# desemen!o destes mdulos deende entreal"uns *atores do n$el de radiaC:o solar+ Dmmodelo eltrico ue reresenta uma clula*oto$oltaica mostrado na >"ura ao lado+ # circuitoaresenta uma *onte de corrente ! em aralelocom um diodo )+ ?s erdas da clula *oto$oltaicas:o reresentadas or %! e %s!+ # mdulo da*onte de corrente ! deende entre al"uns*atores do n$el da radiaC:o solar incidente naclula <'EKDEL 2009=+ Portanto ra@o;$el suorue a otOncia Htil de uma usina solar diretamente roorcional radiaC:o solar incidentenos ainis *oto$oltaicos <L?VE 2009=+

Modelo de uma clula *oto$olt

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Tipos de células /otooltaicas

.lulas de MultiUunC:o

?s células fotovoltaicas multijunção  s:ouma su,classe de clulas *oto$oltaicas

desen$ol$idas ara a o,tenC:o dee>ciOncia de con$ers:o sueriores+ ':oconstitudas or mHltilas camadas deelculas >nas rodu@idas or um rocessode epitaxia de feixes de moléculas eou deepitaxia de fase de vapor metal-orgânico+

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$ma pe8uena animação paatenção da sociedade 8ue

um futuro mel9or para o paumentar os inestimentoener!ia reno:el;

Vdeo retirado d!tts+outu,e+comc!a

!tZ3tNc)&L

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$tili<aç,es da Ener!ia Solar'

'istemas *oto$oltaicos U; *a@em arte denossas $idas+ ?s alicaCQes $:o desdeeuenas alicaCQes como calculadorase rel"ios de ulso *ornecimento deeletricidade ara as ,om,as de ;"ua

sinali@aCQes em estradas euiamentosde comunicaCQes satlites casasm$eis medicina <ara alimentareuiamentos mdicos uri>cadores de;"ua re*ri"eradores ara $acinas=,oias de na$e"aC:o iluminaC:o H,licailuminaC:o de Uardins iluminaC:o decasas e aarel!os eletrodomsticos atKeraC:o em lar"a escala com

caacidade de *ornecer ener"ia arauma e uena .idade e ou uma Krande

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Composição de um Sistema de

#eração de Ener!ia Solar'Dm sistema 'olar Soto$oltaico ,;sico comostode um ou mais ainis *oto$oltaicos controladorde car"a e ,aterias+ Em al"uns casos utili@a-setam,m um in$ersor%ainel fotooltaico .on$erte a lu@ solar emener"ia eltrica normalmente 12V.. - correntecontnua+

Controlador de car!a Kerencia ocarre"amento da ,ateria e$itando so,recar"as erote"endo contra descar"as a,aiBo doermitido+Acumuladores ?rma@ena a ener"ia eltrica"erada elo ainel ao lon"o do dia ara serusada noite ou em dias muito nu,lados ouc!u$osos+Inersor .on$erte a tens:o dos acumuladores

corrente alternada+

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Inersor de /re8u=ncia'

 /am,m con!ecido como con$ersor oscilador+ /em a*unC:o de con$erter um sistema de ..<.orrente.ontnua= em .?<.orrente ?lternada= $ariando a

*reuOncia de sada de acordo com a necessidade daalicaC:o+ # uso de in$ersor ,astante amlo comoeBemlos temos controle de $elocidade de motorauecimento or induC:o ma"ntica controle de*reuOncia em sistemas de "eraC:o e transmiss:o deener"ia entre outros+ Estas alicaCQes s *oramoss$eis com a arimoraC:o do uso dos /ransistorese /iristores em .ircuitos de PotOncia+

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# trans.stor  ou transistor  um comonenteeletrGnico ue comeCou a oulari@ar-se na dcadade 50 tendo sido o rincial resons;$el elare$oluC:o da eletrGnica na dcada de 19(0+ ':outili@ados rincialmente como amli>cadores einterrutores de sinais eltricos tam,m s:o

usados como reti>cadores eltricos em um circuitoodendo ter $ariadas *unCQes + # termo ro$m doin"lOs transfer   resistor   <resistorresistOncia detrans*erOncia= como era con!ecido elos seusin$entores+

Transistor'

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Tiristor'

# nome Tiristor  en"lo,a uma *amlia de disositi$ossemicondutores multicamadas ue oeram em re"ime dec!a$eamento tendo em comum uma estrutura de no mnimouatro camadas semicondutoras numa seROncia P-N-P-N <trOs

 UunCQes semicondutoras= aresentando um comortamento*uncional+ #s tiristores ermitem or meio da adeuada ati$aC:odo terminal de controle o c!a$eamento do estado de ,loueioara estado de conduC:o sendo ue al"uns tiristores <mas n:otodos= ermitem tam,m o c!a$eamento do estado de conduC:oara estado de ,loueio tam,m elo terminal de controle+

.omo eBemlo de tiristores odemos citar o '.% e o /%?.+ Nocaso do tiristor '.% este se assemel!a a uma *ec!adura elo *atoda corrente oder Auir elo disositi$o em um Hnico sentidoentrando elo terminal de anodo e saindo elo terminal decatodo+ No entanto di*ere de um diodo orue mesmo uando odisositi$o est; diretamente olari@ado ele n:o conse"ue entrarem conduC:o enuanto n:o ocorrer a ati$aC:o do seu terminal decontrole <terminal denominado orta ou "ate em in"lOs=+ ?oin$s de usar um sinal de ermanOncia continua na orta <comonos /&Js e M#'SE/s= como sinal de controle os tiristores s:o

comutados ao li"amento ela alicaC:o de um ulso ao terminalde orta ue normalmente ode ser de curta duraC:o+ Dma $e@

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Transistor e Tiristor'

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Ener!ia Solar no Mundo

? ener"ia solar no mundo tem areseanos um crescimento eBonencial+ 'e"2013 da ?ssociaC:o da ndHstria Soto$ocen;rio at 2017 indica a concrescimento+ )e acordo com o relatriomercado essimista Business-as-usuinstalada ode c!e"ar a 48 K econsiderado a articiaC:o do odeatin"ir a marca de 84 K

Sonte ?datado de EP? Klo,al MarZ#utlooZ *or P!oto$oltaics 2013-2017+

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)iante de tal crescimento "randes roUetos em usinas solaresest:o sendo *eitos no mundo+ .om in$estimentos de emresascomo Koo"le N%K Ener" e &ri"!t 'ource Ener" *oiinau"urada em *e$ereiro de 2014 na re"i:o desrtica da.ali*rnia a usina solar trmica $ana!+ Esta usina considerada uma das maiores do mundo com caacidade de"eraC:o da ordem de 392 me"aatts+ No >nal do rimeirosemestre de 2014 *oi inau"urada no deserto do ?tacama no.!ile a usina solar ?man!ecer com in$estimentos de 2(05mil!Qes de dlares e uma caacidade instalada de 100 M+Nesta mesma re"i:o est; sendo desen$ol$ida ela emresaesan!ola ?,en"oa uma usina solar com concentraC:odenominada /ermosolar com caacidade de 110 M

Ener!ia Solar no Mundo

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Ener!ia Solar no Mundo

#utro "rande in$estimento em usinas solares*oto$oltaicas te$e incio no ano de 2014+ Locali@ada na.!ina a usina considerada como a se"unda maiordo mundo e tem caacidade instalada de 1+000 M+

?lm desta usina o as anunciou outra central deroduC:o *oto$oltaica a ser instalada no deserto daMon"lia+ ? usina ter; uma caacidade instalada de2+000 M+

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No &rasil est:o em andamento imortantes iniciati$asara *omentar a ener"ia solar no as+ Dm eBemlo a.!amada H,lica N[ 0132011 da ?"Oncia Nacional deEner"ia Eltrica <?NEEL= W?rranUos /cnicos e

.omerciais ara nserC:o de ProUetos de KeraC:o 'olarSoto$oltaica na Matri@ Ener"tica &rasileiraX+ Esta

.!amada ermitiu ue .oman!ias de ener"iaalicassem recurso de P\) <Pesuisa e)esen$ol$imento= ara instalaC:o de centrais*oto$oltaicas de "eraC:o+ ?tendendo .!amada 13*oram selecionados 18 roUetos de 17 emresas deener"ia totali@ando uma otOncia de 23( M! cominstalaC:o re$ista at 2015 <EPE 2012=+

Vale *risar tam,m o .entros de Pesuisa e Dcomo a Dni$ersidade dPernam,uco com aoioro>ssional do "ruo

?lternati$as de Enresultaram em ro etos t

Ener!ia Solar no >rasil

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Dsina Soto$oltaica de Petrolina ue ter;caacidade de 3M+ ?lm de "erarener"ia tam,m ser; utili@ada como aoioa roUetos de esuisa+ Parte da ener"ia"erada ela usina ser; a,sor$ida ela

rria usina e outra arte ser;comerciali@ada+

Est;dio ?rena Pernam,uco+ ProUetoincenti$ado ela .oa do Mundo de 2014+nau"urado em de@em,ro de 2013 e comin$estimento de 10 mil!Qes de reaisossui mais de 3+000 ainis instalados e

otOncia instalada de 1 M+

Ener!ia Solar no >rasil

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Dsina solar em Sernando de Noron!a+ Soiinau"urada em Uul!o de 2014 e ossui umacaacidade de "eraC:o de ener"ia da ordem de(00 M! or ano+ ? re"i:o ue antes tin!a todo o

seu a,astecimento oriundo da termeltrica do /u,ar:o ter; a artir da usina solar uma reduC:ono consumo de leo diesel redu@indo ade"radaC:o am,iental+ ?lm desta usina solar al!a de Sernando de Noron!a rece,er; uma no$ausina+ .om in$estimentos de ( mil!Qes de reais ano$a usina oder; "erar 777 M! or ano+ ?re$is:o do incio de suas ati$idades no rimeirosemestre de 2015+

Ener!ia Solar no >rasil

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# "rande a$anCo da ener"ia solar e o crescimento nauantidade de emreendimentos tem ermitido uma"rande articiaC:o da ener"ia solar em leilQes deener"ia+ No Hltimo leil:o de reser$a reali@ado no >naldo rimeiro semestre de 2014 !ou$e um crescimentona uantidade de roUetos de ener"ia solar inscritos+# total o*ertado *oi de 10+790 M+ ? ta,ela 1 mostraa uantidade de roUetos de ener"ia *oto$oltaicainscritos no leil:o elos estados ,rasileiros e suao*erta de ener"ia+ Neste leil:o *oram selecionados 31roUetos de ener"ia solar somando uma caacidadeinstalada de 889( M+ # reCo de $enda >cou em %]21500 M! *rente ao $alor m;Bimo esta,elecidoue *oi %] 2(200 <M?KN?&#'.# 2014=+

Estados ?uantidade

pro@etos>a9ia 1(1

%iau.  45

%ernam"uco 43

Rio #rande do

&orte

42

São %aulo 2(

%ara."a 25

Tocantins 21

Minas #erais 17

Cear: 15

#oi:s 04

Ta"ela B 0 &mero de pro@esolar por re!ião inscritos p

no leilão de resera no ano

Ener!ia Solar no >rasil

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O>RI#A(OO (ESA/IO (E (ESE&-OL-ER

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