Guia completo sobre
painéis solares fotovoltaicos
Conhecidos por muitos como: “placas solares”, “painéis solares” ou “módulos fotovoltaicos”, os painéis solares fotovoltaicos são os responsáveis pela conversão da radiação do sol em energia elétrica.
Neste artigo procuramos trazer um panorama completo sobre os painéis solares fotovoltaicos como o funcionamento, os tipos e as últimas tecnologias que estão sendo utilizadas no mercado.
Assim, você que está interessado em investir em energia solar pode entender melhor sobre estes componentes tão importantes que farão parte de seu projeto.
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Projeto realizado pela Solstício Energia na cidade de São Paulo
Celula Fotovoltaica (1954) – Fonte: Bell Labs
A história da tecnologia solar
Poucas pessoas sabem, mas o aproveitamento da energia solar ao nosso favor é uma realidade há mais de 6 mil anos. Nos anos 4000 a.C., na região que hoje é a China já havia a verificação da orientação das casas para ter um maior aproveitamento da luz solar no inverno, além do uso de espelhos côncavos para concentrar a energia solar e produzir fogo por exemplo.
Em 1839 o físico francês Edmond Becquerel, descobriu o efeito fotovoltaico, que ocorre quando os fótons contidos na luz solar atingem um material semicondutor com uma junção do tipo p-n, fazendo com que os fótons excitem os elétrons no semicondutor, dando origem a uma corrente elétrica. Esse efeito é a base do funcionamento dos painéis fotovoltaicos, mas da sua descoberta até a primeira célula fotovoltaica, criada em 1954 pela Bell Labs, se passaram mais de cem anos. Nos anos 60, a Hoffman Eletronics conseguiu atingir o marco da história da energia solar produzindo a primeira célula solar viável do ponto de vista comercial e que tinha 14% de eficiência. A partir disso, começou uma corrida comercial para baratear os módulos e aumentar sua eficiência, estudando diversas combinações de semicondutores para formar a junção p-n. E das tecnologias que mais se destacaram e que ainda são utilizadas em larga escala hoje em dia são os painéis solares de silício mono e policristalino.
Se você quiser saber um pouco mais sobre a história da energia solar, temos um infográfico muito bonito e completo que pode ser acessado clicando aqui.
A célula fotovoltaica
A unidade básica responsável pela conversão da energia solar em energia elétrica é a célula fotovoltaica. As células geram tensão elétrica a partir de um fenômeno físico chamado efeito fotovoltaico, que se dá através de semicondutores com uma junção p-n.
Basicamente, existem alguns materiais que produzem eletricidade quando são expostos à luz. Isso acontece quando os fótons da luz atingem os elétrons dos átomos da camada negativa, que são deslocados para a camada positiva. Quando incluímos material condutor aos lados positivo e negativo do material para formar um circuito, torna se possível “canalizar” essa energia elétrica gerada. Comercialmente, existem as seguintes tecnologias de células fotovoltaicas:
- células de silício cristalino, conhecidos como tecnologia de primeira geração, que incluem os painéis de Silício Monocristalino (mono-Si) e Silício Policristalino (poli-Si)
- células de filme fino, conhecidos como tecnologia de segunda geração, que incluem os painéis de Silício Amorfo (a-Si), Multijunção Silicio Amorfo/Silício Microcristalino (a-Si/µ-Si), Telureto de Cádmio (CdTe) e Disseleneto de Cobre (Gálio) e Índio (CIS/CIGS)
- células de terceira geração, que incluem tecnologias como células orgânicas, sensibilizadas por corante e outras tecnologias ainda em desenvolvimento.
Atualmente, as tecnologias baseadas em silício cristalino dominam o mercado, devido a uma ótima relação entre custo e eficiência quando comparadas com as demais tecnologias. São produzidas a partir de um silício de alta pureza, também conhecido como silício grau solar ou polisilício, obtido através da purificação do silício grau metalúrgico até atingir 99,9999% de pureza.
As células fotovoltaicas são dispositivos pequenos e frágeis. Para as aplicações práticas, elas são agrupadas e encapsuladas, formando os painéis fotovoltaicos.
O funcionamento dos painéis solares fotovoltaicos
Os painéis fotovoltaicos são formados por um conjunto de células fotovoltaicas encapsuladas, geralmente com finas camadas de EVA (Etil Vinil Acetato) ou PVB (Polivinil Butiral) para fornecer proteção e assegurar o isolamento elétrico entre as células.
Elas são então colocadas em um substrato, que pode ser plástico, metal ou até mesmo vidro, e na parte frontal é colocado vidro transparente, temperado e com baixo teor de ferro, formando assim o painel fotovoltaico.
Em geral, os painéis também recebem uma moldura de alumínio, para aumentar a resistência mecânica.
Os painéis convencionais de silício cristalino possuem 72 células, sendo divididas em 6 strings de 12 células. A cada duas strings, há uma ligação em paralelo e a um diodo de by-pass, que tem como função evitar que o sombreamento de uma célula afete todo o restante do painel.
Tipos de Painéis Fotovoltaicos de Silício Cristalino
Os painéis de silício cristalino podem ser classificados nas seguintes categorias:
Painéis Monocristalinos
As células de silício monocristalino são produzidas através do processo de Czochralski. Durante este processo, o núcleo do cristal semente é imerso num banho de silício grau solar fundido juntamente com uma pequena quantidade de dopante tipo p, a mais de 1400º C. O cristal, devidamente orientado, é retirado do banho enquanto é girado lentamente, sob um rígido controle de temperatura.
Por ter um processo de fabricação mais controlado, os painéis de silício monocristalino apresentam uma maior eficiência, com potências médias na faixa de 360Wp.
Painéis Policristalinos
Os painéis de silício policristalino recebem esse nome por serem formadas por vários cristais de silício, com várias orientações, diferentemente das células monocristalinas que são formadas por um único cristal.
O processo de produção mais comum para o silício policristalino é o de fundição de lingotes. O silício grau solar em estado bruto é aquecido no vácuo até uma temperatura de 1.500ºC depois esfriado a uma temperatura aproximada de 800ºC.
Os painéis de silício policristalino possuem uma eficiência mais baixa em comparação com os monocristalinos, e a sua potência média está na faixa de 330Wp.
Painéis PERC
PERC é a sigla de Passivated Emitter Rear Cell que em português significa “Emissor Passivado na Célula Traseira”. Painéis PERC possuem uma camada adicional de passivação na parte traseira da célula. Esta camada, além de gerar reflexão no fundo da célula, gerando mais energia, também reduz a velocidade de recombinação dos elétrons, fazendo com que a célula se torne mais eficiente que uma célula padrão. Assim, os módulos PERC são mais eficientes e têm menos perdas a altas temperaturas.
Os painéis PERC podem ser tanto policristalinos quanto monocristalinos, tendo os PoliPERC eficiências superiores à de painéis monocristalinos, ultrapassado 360Wp, e os MonoPERC ultrapassando os 400Wp em alguns casos.
A tecnologia PERC costuma ter uma maior degradação, devido à um efeito chamado LeTID (Light and elevated Temperature Induced Degradation), onde estudos mostram painéis chegando a degradar até 5% no primeiro ano de operação.
Painéis Halfcell
Os painéis Halfcell são painéis fotovoltaicos que podem ser constituídos por células de silício policristalino ou por células de silício monocristalinos, cujas células foram divididas ao meio. Além disso, as ligações internas das células são feitas de um modo alternativo, possuindo 6 diodos de by-pass ao invés de 3. Dessa maneira, essa tecnologia é menos suscetível às perdas por sombreamento.
Por este motivo, esta tecnologia possui um custo ligeiramente mais elevado.
Painéis Bifaciais
Os painéis bifaciais também podem ser constituídos por células de silício policristalino ou por células de silício monocristalinos, e recebem este nome por possuir células fotovoltaicas capazes de gerar energia dos dois lados. Este ganho pode ser de até 30% quando utilizadas em sistemas de rastreamento solar, segundo os fabricantes.
Entretanto, possuem um custo mais elevado que as demais tecnologias.
Leia mais sobre o uso dos rastreadores solares aqui: [matéria de trackers]
As diferenças entre as tecnologias
Das tecnologias/eficiências, essa tabela resume as diferenças entre os painéis
Agora, fica a pergunta: Qual a melhor tecnologia? E a resposta é, para variar, depende. Cada aplicação pode ter um tipo de painel mais interessante. Em um telhado com área reduzida, utilizar um painel mais caro, mas com maior eficiência, pode ser uma melhor opção, enquanto que em um sistema em solo, onde área não é um problema, pode ser que o melhor seja um painel menos eficiente, mas um mais barato.
Painéis bifaciais são as melhores opções para usinas. Há até um estudo que mostra que painéis bifaciais utilizados juntos com a tecnologia de trackers (rastreador solar) são a melhor opção em 93% dos locais (você pode ler mais sobre isso clicando aqui). Por outro lado, utilizar painéis bifaciais em telhados traz pouquíssimos ganhos, e até pode ser pior que um painel monofacial, pois se a parte traseira for sombreada, pode causar uma redução na geração.
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