Definição :

Painéis fotovoltaicos são mecanismos que convertem a energia do sol em energia. São constituídos por células solares (células fotoeletroquímicas e células de nanocristais) que são a terceira geração de células usadas na construção de painéis solares. Consistem em lâminas capazes de gerar energia eletrica a partir de fontes de luz. A energia do sol é absorvida pelas placas e produzem corrente eletrica.

A eficiência das células usadas nos painéis podem ser de 16% a 28% e são como um sensor de luz, atraindo-a para ser armazenada.

Os painéis podem ter dimensões, tensões e potências distintas para os mais diferentes usos. Casas particulares e empresas são os principais beneficiários da energia por eles produzida.

Apesar de o investimento num painel fotovoltaico ser elevado, o retorno investido pode ser recuperado entre seis a oito anos, portanto, este tipo de energia está a ser cada vez mais utilizado e esforços têm sido feitos para diminuir os custos da instalação. Devido ao desenvolvimento da tecnologia, têm sido descobertos novos materiais para a construção dos painéis solares que reduzem os preços e provocam um crescimento deste tipo de energia.

A maior parte dos bancos financiam a instalação de novas energias visando uma eficiência energética sustentável. Também o governo se mostra disponível para o desenvolvimento da energia usada pelos painéis solares e facilita a sua compra deduzindo o IRS.

Devido à modernização, os painéis fotovoltaicos armazenam a luz do dia que pode ser consumida posteriormente. A energia do sol é considerada uma potência capaz de gerar até 1000 watts por metro quadrado.

Por atuar somente com a luz do sol, a energia produzida é renovável e isenta de poluentes, reduzindo assim a emissão de gases poluentes para a atmosfera e consciencializando o consumidor para um desenvolvimento sustentável.

 

As células com efeito fotovoltáico são constituídas por material semicondutor (silício). O material mais importante para as células solares cristalinas é o silício. Não é um elemento químico puro, mas uma ligação química em forma de dióxido de silício. Para a obtenção do silício, em primeiro lugar é necessário separar o oxigénio não desejado do dióxido de silício. Para o conseguir, a areia de sílica é aquecida e fundida num cadinho, junto com pó de carvão. Durante este processo é criado o silício metalúrgico, com uma pureza de 98 %. No entanto, 2 % de impurezas no silício é demasiado para aplicações electrónicas.

É apenas admissível um bilionésimo por cento. Por este motivo, o silício em estado bruto é ainda purificado através de um processo químico.

É cuidadosamente depositado num forno com ácido clorídrico. Como resultado são produzidos os químicos hidrogénio e triclorosilano, um líquido que ferve a 31 ºC. Este último é destilado em várias e sucessivas etapas, durante as quais é reduzida a percentagem de impurezas em cada estágio da destilação. Quando se consegue a percentagem de pureza necessária, o triclorosilano é reduzido a silício com a ajuda do hidrogénio a 1.000 ºC.

Este silício de elevada qualidade pode agora ser processado de diferentes modos, como por exemplo para produzir células monocristalinas ou células policristalinas. O cristal de silício puro não possui electrões livres e portanto é um mau condutor eléctrico, acrescentam-se então outros elementos de modo a tornar o silício material semicondutor de tipo P ou N. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com electrões livres ou material com portadores de carga negativa (semicondutor tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando boro em vez de fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, défice de electrões ou material com cargas positivas livres (semicondutor tipo P). 

Efeito fotovoltáico.


Dopagem semicondutores .

O material semicondutor só por si não produz energia, cada célula solar é composta por uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P. Separadamente, ambas são electricamente neutras. Mas ao serem unidas, exactamente na união P-N e recebendo luz solar, gera-se um campo eléctrico devido aos electrões do silício tipo N que ocupam os vazios(lacunas) da estrutura do silício tipo P. 

 

Conceitos de novas células solares

Célula de Grätzel

Células nanocristalinas sensibilizadas com corantes


Célula Gratzel

Um novo tipo de células solares foi introduzido pelo professor Suíço Michael Grätzel em 1991, podendo desenvolver-se numa alternativa económica à tecnologia do silício. O material básico da “Célula de Grätzel” é o

semicondutor de dióxido de titânio (TiO2). No entanto, não funciona na base de uma junção p-n no semicondutor, absorvendo a luz num corante orgânico, de forma semelhante ao modo com que as plantas usam a clorofila para capturar a energia da luz solar através da fotossíntese.

As pequenas células de laboratório alcançaram uma eficácia de 12 %. Os módulos do primeiro lote de produção limitada da firma australiana STA, têm uma eficiência de aproximadamente 5 %.

As modestas eficiências sob as condições de referência CTS (Condições de Teste Standard), são contrabalançadas pela elevada eficiência em termos comparativos para baixas intensidades de radiação. As células nanocristalinas com corantes, provaram ser muito tolerantes aos ineficazes ângulos de incidência da luz solar e a sombras. celula solar com corante

Ao contrário das células cristalinas, a sua eficiência cresce com o aumento da temperatura. Como resultado, são utilizadas para pequenos dispositivos em espaços interiores e na integração em edifícios. Neste último caso, as células com corantes oferecem novas e estimulantes possibilidades de desenho, graças à sua flexibilidade em termos de transparência e à sua coloração avermelhada (de cor ocre), que pode evoluir para cor verde-cinza, conforme o corante aplicado.

Produção de Energia

A libertação de electrões cria uma diferença de potencial, a ligação das células entre si aumentam essa diferença de potencial. Como as células não conseguem armazenar energia, esta energia terá de ser armazenada em baterias ou convertida para consumo imediato.


Células Solares em Série

Os painéis solares são constituídos por células solares agrupadas em série e em paralelo de modo a produzirem a tensão e a corrente necessária.

Células Solares em Série

As células solares ligadas em série (positivo com o negativo seguinte) dão uma tensão mais elevada. 

Neste caso concreto, a ligação de duas células em série, cada uma de 0,42 Volts produz uma tensão total de 0,84 Volts. Se pretendermos uma saída de 12 volts, têm de existir pelo menos 29 células.

As células fornecem uma tensão relativamente constante se a corrente consumida não exceder o ponto de potencia máxima ( MPP). 

 

celulas solares em série

Célula solares em Paralelo


Células Solares em Paralelo


As células solares ligadas em paralelo (positivo ao positivo, negativo com o negativo) permitem o débito de uma corrente mais elevada. 

Neste caso concreto, a ligação de duas células em paralelo, cada uma de 0,42 Volts produz uma tensão total de 0,42 Volts. POr muitas células ligadas em paralelo a tensão nunca seria superior a uma única.

As células fornecem uma tensão relativamente constante permitindo aproximadamente o dobro da corrente elevando assim a potencia máxima ( MPP). 
A conjugação de células ligadas em série, ligados por sua vez em paralelo, permitem-nos ter tensões mais elevadas com possibilidade de correntes mais elevadas. É este o principio do painel solar fotovoltaico, para calcular a tensão e corrente necessária utilize Cálculos de Utilização 
 

celulas solares em paralelo


Tipos de células:

Existem vários tipos de células em função do método de fabrico e material utilizado.

  • Silício amorfo: Células obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal. 
    Eficiência na conversão de luz solar em electricidade varia entre 5% e 7%;
  • Silício monocristalino: Células obtidas a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas quadradas finas (0,4-0,5 mm de espessura). 
    Eficiência na conversão de luz solar em electricidade é superior a 12%;
  • Silício policristinalino: Células produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de bocados de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. 
    Eficiência na conversão de luz solar em electricidade é ligeiramente inferior do que nas de silício monocristalino;
  • Células nanocristalinas sensibilizadas com corantes: Em fase de desenvolvimento e comercialização, índices elevados com elevadas temperaturas e baixos níveis de radiação;
  • CIGS: Utilizam na sua composição Cu(In,Ga)Se2 (Cobre, Indio, Gálio, Selénio), têm um rendimento de 13%. Existem alguns problemas de abastecimento uma vez que 75% do Indico distribuído comercialmente está a ser utilizado na produção de LCD e Monitores de Plasma;
  • Arsenito de gálio (GaAs): é actualmente a tecnologia mais eficaz apresentando níveis de eficiência de 28%. O seu preço é extremamente elevado utilizando-se sobretudo em aplicações espaciais (colectores solares em satélites, por exemplo);
  • Telureto de Cádmio (CdTe): Embora constituam um pouco mais de 1% do mercado de energia solar fotovoltaica, a sua utilização é pouco apelativa devido ao elevado nível de toxicidade do cádmio.

Sensibilidade Espectral

Sensibilidade ao Espectro Luz

Em função do material e da tecnologia utilizada, as células solares podem ter maior ou menor eficácia na conversão das diferentes bandas de cor da luz solar em electricidade. A sensibilidade espectral define a faixa da radiação para a qual a célula funciona de um modo mais eficaz e influência a eficiência sob diferentes condições de radiação. A maior parcela de energia solar está concentrada na faixa da luz visível entre 400 nm e 800 nm.


Enquanto as células solares cristalinas são particularmente sensíveis à radiação solar de onda longa, as células de película fina utilizam melhor a luz visível. As células de silício amorfo podem absorver a radiação de onda curta com eficácia. Em contraste, os materiais CdTe e CIS são mais adequados para as ondas de comprimento médio. 


sensibilidade espectral


Módulos Fotovoltaicos


Modulo Fotovoltaico

O módulo fotovoltaico é composto por células individuais ligadas em série. Este tipo de ligação permite adicionar tensões. A tensão nominal do módulo é igual ao produto do número de células que o compõem pela tensão de cada célula (aprox. 0,42 a 0,6 volts). Geralmente produzem-se módulos formados por 30, 32, 33 e 36 células em série. Procura-se dar ao módulo rigidez na sua estrutura, isolamento eléctrico e resistência aos factores climáticos. Por isso, as células em série são encapsuladas num plástico elástico (Etilvinilacelato) que faz também o papel de isolante eléctrico, um vidro temperado com baixo conteúdo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plástica multi-camada (Poliéster) na face posterior. Em alguns casos o vidro é substituído por uma lamina de material plástico transparente. O módulo tem uma moldura composta de alumínio ou poliuretano e caixas de ligações às quais chegam os terminais positivo e negativo da série de células. Nos terminais das caixas ligam os cabos que ligam o módulo ao painel fotovoltaico

.modulo fotovoltaico

Painéis Fotovoltaicos

painel solar fotovoltaico ou colector solar fotovoltaico é constituído por vários módulos ligados em paralelo e série.

modulos fotovoltaicos


Aplicações Painéis Solares

  • Painéis de baixa voltagem / baixa potência utilizam de 3 a 12 pequenos segmentos de silício amorfo, com uma superfície total de alguns centímetros quadrados. A tensão debitada é de 1.5 a 6 V com uma potencia de alguns miliwatts. Utilização:Relógios, Calculadoras, GPS, pequenos dispositivos eléctricos;
  • Pequenos painéis de 1 a 10 W com 3 a 12 V. Utilização: Rádios, Jogos, Bombas de água;
  • Grandes painéis de 10 até 60 W, com uma tensão de 6 ou 12 V. Utilizaçãoprincipal é feita essencialmente em grandes bombas de água, para responder às necessidades de electricidade de caravanas (luz e refrigeração) e utilização doméstica direccionada para dispositivos individuais (lâmpadas de jardim por exemplo).

Eficiência Sistemas Fotovoltaicos

A eficiência de um sistema fotovoltaico depende de:

  • Eficiência dos vários componentes do sistema;
  • Interligação e coordenação entre si;
  • Tipo de cargas que o sistema pretende alimentar.

Perdas e rendimento 

O rendimento do painel depende de:

  • Tipo de células;
  • Radiação solar;
  • Temperatura;
  • Sujidade do painel.

O valor nominal do rendimento é fornecido pelo fabricante. Caso não seja fornecido directamente pode ser deduzido a partir da potência de pico e da área do painel. A potência de pico é a máxima potência (MPP) que o painel consegue debitar em condições de teste standard. 

hp=100 * Pp / A

hp - rendimento do painel (%)
Pp - potência de pico do painel (kWp)
A - área do painel (m2)

O rendimento e a potência de pico devem ser calculadas para as condições STC (standard test conditions) radiância solar de 1kW/m2 e a uma temperatura de 25ºC. As perdas na bateria são devidas essencialmente a dois factores: auto descarga da bateria e nível de tensão demasiado alto, impedindo que o painel esteja no seu ponto de funcionamento de máxima potência. Para corrigir este último tipo de perdas deve proceder-se a um correcto dimensionamento do regulador de carga. 

As perdas do inversor dependem da magnitude e das características da carga que está a alimentar. 
Para avaliar a eficiência global do sistema são consideradas duas componentes:

Rendimento das fontes de energia considera que o sistema está a funcionar com uma performance de 100% sendo independente da carga. Ou seja, para um determinado sistema, o melhor rendimento é aquele que corresponde apenas ao rendimento dos geradores não considerando qualquer da aparelhagem que complementa o sistema, sendo ignoradas as perdas nas baterias, carregadores, inversores etc. Assim a energia de saída das fontes de energia será:

Esf=Es*hp*A 

Esf é a energia de saída da fonte de energia (kW/year)
Es é a energia solar (kWh/m2/ano)

Índice de performance (PR, performance ratio) sendo este o valor percentual que mede o afastamento do desempenho do sistema em relação às condições óptimas de funcionamento. Este Índice dá uma medida da razão entre a energia realmente consumida pelas cargas e a energia que o sistema é capaz de produzir.
Este índice de performance tem valores que dependem do tipo de sistema a alimentar. A energia fornecida à carga será dada por: 

Ess=PR*Es*hp*A 

Ess é a energia fornecida à carga (kWh/ano)
PR é o Índice de performance

Fonte : http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/271/202/