Painel Solar Fotovoltaico

Fabrico e Composição

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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 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.



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

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.

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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.

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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.

Painéis Fotovoltaicos

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

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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).

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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