Placas fotovoltaicas – Características e funcionamento!
Você já ouviu falar sobre energia solar? Sabe como são construídas as placas solares? No artigo de hoje, o Mundo da elétrica irá falar sobre as características e o funcionamento das placas fotovoltaicas. Então vamos lá pessoal!
A exploração das reservas esgotáveis de combustíveis fósseis e os danos causados ao meio ambiente são assuntos muito discutidos, e que atualmente causam grandes preocupações. Por isso, é essencial buscar fontes alternativas de energias renováveis e não poluentes, como a solar e a eólica.
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Vários países investem em aplicações da energia solar, analisando as características do fluxo de radiação solar que chega à terra e as tecnologias necessárias para viabilizar, tanto tecnicamente quanto economicamente o aproveitamento máximo dessa energia.
A energia solar ou energia fotovoltaica é uma energia limpa, não poluente, não escassa, sem ruídos e que pode ser usada em residências, indústrias e em estabelecimentos comercias.
As placas solares são normalmente produzidas a partir do silício, que pode ser extraído e explorado de várias maneiras. Por exemplo, nas formas monocristalino, policristalino e amorfo.
Além do silício, outros materiais alternativos vêm sendo testados na constituição da montagem de painéis solares. Um exemplo é a célula de filme fino, no qual o processo de fabricação requer um custo menor, porém com uma eficiência energética menor se comparada ao silício.
Para entendermos melhor como funcionam as placas fotovoltaicas, vamos entender como elas são construídas!
Construção das placas fotovoltaicas
O principal componente dos painéis solares são as células de silício! Elas são a parte ativa dos painéis e são nelas que a energia elétrica é de fato produzida.
O silício é um material semicondutor, caracterizado por possuir uma banda de valência totalmente preenchida por elétrons, e uma banda de condução vazia ou sem elétrons, na temperatura zero absoluto (0K).
Os materiais semicondutores podem ser divididos em duas bandas de energia, elas são denominadas como banda proibida, bandgap ou simplesmente gap, e são representadas pela sigla Eg. Essa energia pode atingir até 3 eV (elétron-volt), diferentemente dos materiais isolantes em que o gap supera esse valor.
Em função dessas bandas de energia e do aumento da temperatura, há uma excitação térmica de elétrons da banda de valência para a banda de condução, fazendo com que na banda de valência haja lacunas, também conhecidas como portadores intrínsecos.
Assim, para temperaturas superiores a 0K, há sempre um certo número de elétrons ocupando a banda de condução, e o mesmo número de lacunas na banda de valência.
Uma característica essencial que permite a fabricação das células fotovoltaicas, é a possibilidade de fótons incidentes do material com energia superior à do gap, gerarem pares de elétron-lacunas.
Esses elétrons e lacunas fotogerados podem locomover-se dentro do material, aumentando a condutividade elétrica. Esse efeito é denominado como efeito fotocondutivo e é aproveitado para a fabricação das fotocélulas.
O silício passa por um processo industrial de purificação, em que são produzidos grandes lingotes de silício purificado de 99.9999%. Esses lingotes são cortados com fios diamantados, que são conhecidos como células fotovoltaicas ou wafers. Na imagem abaixo, é possível ver os processos pelos quais o silício passa.
Processo de construção de placas solares de silício.
As células de fotovoltaicas ou wafers, são lâminas em forma de disco com espessura de poucos milímetros. O diâmetro dos wafers pode mudar de acordo com a tecnologia que está sendo usada no processo de fabricação!
Entretanto, para que haja um aproveitamento da corrente e da tensão elétrica dos elétrons e lacunas fotogerados, é necessária a aplicação de um campo elétrico, com o intuito de separar os portadores. Isso ocorre através do que chamamos de junção pn!
Para construí-la, é necessário introduzir de forma controlada impurezas no semicondutor, processo esse conhecido como dopagem!
Ao se introduzir na rede cristalina um átomo trivalente, como o boro (B), haverá a falta de um elétron para completar as ligações com os átomos de Si da rede, formando o lado tipo P ou com portadores de carga positiva.
Já ao se introduzir nessa estrutura um átomo pentavalente, como o fósforo (P), haverá um elétron em excesso fracamente ligado ao seu átomo de origem, formando o lado tipo N ou com portadores de carga negativa.
Essa separação dos portadores de carga pela junção pn dá origem ao efeito fotovoltaico, que consiste na conversão de energia luminosa em energia elétrica associada a uma corrente elétrica e uma diferença de potencial. Na imagem abaixo, é possível ver o efeito fotovoltaico em uma placa solar.
Efeito fotovoltaico em placas solares.
Esse efeito ocorre em qualquer diodo semicondutor que for exposto à radiação! Portanto, as células fotovoltaicas também podem ser entendidas como diodos de grande área, otimizados para o aproveitamento do efeito fotovoltaico.
Após a geração da energia elétrica solar, os painéis solares direcionam a energia para um inversor solar. Esse equipamento converte a energia elétrica captada pelos painéis na forma de corrente contínua em corrente alternada.
Os principais fatores que influenciam na operação de um módulo fotovoltaico são: a intensidade da radiação solar e a temperatura de operação dos painéis!
A partir da conversão, essa energia pode seguir dois caminhos distintos. No sistema off-grid, ela é direcionada para baterias que abastecerão o imóvel de maneira direta. Esse sistema é menos comum no mercado, uma vez que não há conexão com a rede pública de distribuição.
Já no sistema on-grid, a energia elétrica é direcionada para o quadro de distribuição do imóvel, que está conectado à rede pública de distribuição. Dessa maneira, a energia gerada é consumida indiretamente e utilizada no sistema de compensação de créditos solares.
Principais partes do sistema fotovoltaico
As principais partes que constituem os sistemas fotovoltaicos são:
- Painel solar: elemento principal que traz a energia para todo sistema. O seu dimensionamento deve ser realizado de acordo com o clima, a eficiência de cada marca e a energia necessária para o local em questão
- Controladores de carga: evitam sobrecargas nas baterias, aumentando a vida útil e o desempenho do sistema
- Inversores solares: são responsáveis por transformar a corrente contínua em corrente alternada
- Baterias: armazenam a energia para que o sistema possa ser utilizado em horários em que não há sol
Tipos de painéis solares
Existem vários tipos de painéis solares, dentre eles podemos citar:
- Painel fotovoltaico de silício monocristalino
- Painel fotovoltaico de silício policristalino
- Painel solar de filme
- Painel de silício amorfo
- Painel solar híbrido
- Painel fotovoltaico de filme fino
- Painel fotovoltaico Arseneto de Gálio (GaAs)
Vantagens dos painéis solares
Existem diversos pontos positivos na utilização de placas fotovoltaicas. O principal diz respeito à sustentabilidade, já que a energia solar é considerada uma energia limpa. Além disso, os painéis fotovoltaicos também apresentam como vantagens:
- Durabilidade: os painéis solares duram mais que 25 anos
- Resistência à impactos: os painéis solares geralmente possuem vidro temperado resistente a granizo
- 90% dos painéis solares fabricados hoje são feitos de cristal de silício ultra-puro, material abundante em nosso ecossistema
- Economia de energia em residências, comércios ou indústrias
- Forma limpa de captação e geração de energia
Recomendamos que você assista o vídeo abaixo sobre placas solares do canal Mundo da Elétrica, e não se esqueça de deixar um gostei!
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Sobre o autor
Eletricista desde 2006, Henrique Mattede também é autor, professor, técnico em eletrotécnica e engenheiro eletricista em formação. É educador renomado na área de eletricidade e um dos precursores do ensino de eletricidade na internet brasileira. Já produziu mais de 1000 videoaulas no canal Mundo da Elétrica no Youtube, cursos profissionalizantes e centenas de artigos técnicos. O conteúdo produzido por Henrique é referência em escolas, faculdades e universidades e já recebeu mais de 120 milhões de acessos na internet.
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