Painel Solar Fotovoltaico
Como é fabricado e Composição
| Efeito Fotovoltaico | Dopagem Semicondutores |
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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
Um novo tipo de células solares foi introduzido pelo professor Suíço Michael Grätzel em 1991, podendo desenvolver-se numa alternativa econômica 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.
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.
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).
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
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
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.
Módulos Fotovoltaicos
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.
Painéis Fotovoltaicos
O painel solar fotovoltaico ou colector solar fotovoltaico é constituído por vários módulos ligados em paralelo e série.
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)
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
