Painéis Solares

Os painéis solares são dispositivos que convertem a energia solar em eletricidade. Eles são constituídos pela união de várias células solares, feitas de materiais semicondutores, como o silício. Quando a luz solar atinge as células solares, a energia dos fótons da luz excitam os elétrons no material semicondutor. Esses elétrons excitados fluem através do material, criando uma corrente elétrica.

Como os painéis solares funcionam?

O funcionamento das células fotovoltaicas baseia-se no efeito fotovoltaico, descoberto por Alexandre Edmond Becquerel em 1839. Este efeito descreve a geração de corrente elétrica em um material quando é exposto à luz.

Tecnologia por Trás dos Painéis Solares

Cada célula solar possui duas lâminas ou waffles de silício purificado ao 99.9% ao que foi adicionado controladamente um segundo elemento químico com a intenção de criar dois tipos de silício, um com excesso de elétrons (tipo N) e outro silício com deficiência de elétrons (tipo P). 
A tecnologia fotovoltaica baseia-se na união de semicondutores do tipo P (positivo) e N (negativo), visando criar uma diferença de potencial entre eles, que, ao ser conectados terminais externos, produzem uma corrente elétrica que pode ser armazenada em baterias ou utilizada para alimentar cargas em residências e empresas.

Semicondutor extrínseco tipo N

É produzido ao dopar (introduzir) na estrutura cristalina do Silício um contaminante. Estas impurezas são de um elemento com cinco electrões de valência no seu orbital externo. Podem ser Fósforo (P), Antimónio (Sb) ou Arsénico (As). O átomo da “impureza” cria quatro laços covalentes com o silício. E adiciona à sobra um electrão que se solta da sua órbita para que esta fique estável. Com cada átomo de impureza aparece um electrão livre na estrutura que aumenta a sua condutividade elétrica. São conhecidos pelo nome de semicondutores do tipo N, pelo que a carga dos portadores adicionados é negativa.

Semicondutor extrínseco tipo P

Produz-se ao dopar (introduzir) na estrutura cristalina do silício uma impureza com três electrões de valência no seu orbital externo. Podem ser átomos de Boro (B), Gálio (Ga) ou Índio (In). Ao ser introduzido no silício, o átomo da impureza cria apenas três laços covalentes. Desta forma ficam os átomos de Silício com um eletrão sem ligar. Surge então um orifício que se comporta como uma carga positiva que voa pelo interior da rede cristalina. São conhecidos pelo nome de semicondutores do tipo P, por isso é positivo o carácter dos portadores adicionados.

A união destas lâminas é conhecida como a união P-N que cria um campo de esgotamento e uma pequena diferença de potencial (tensão ou voltagem) entre elas.

Como é produzida a eletricidade dentro do painel?

A eletricidade dentro das células solares é produzida pelo efeito fotovoltaico. Quando a luz do Sol (fótons) atinge a célula solar, os fótons transferem sua energia para os átomos de silício, liberando elétrons das suas posições. Esses elétrons livres são empurrados pelo campo elétrico gerado na união P-N, criando um fluxo de corrente elétrica. Por isso, a maior radiação solar mais elétrons ficam energizados e maior quantidade de elétrons são movidos criando um maior fluxo de corrente.

Corrente elétrica gerada

Os elétrons livres fluem pela camada tipo N para o circuito externo, enquanto as lacunas (cargas positivas) fluem na direção oposta pela camada tipo P. Essa movimentação cria uma corrente contínua (CC).

Conversão e uso

A corrente contínua (CC) gerada pelo painel solar é geralmente convertida em corrente alternada (CA) por um inversor, para que possa ser utilizada em casas ou indústrias. Esse processo é limpo, renovável e silencioso, sendo uma das formas mais sustentáveis de gerar eletricidade.

Tipos de painéis solares disponíveis 

Existem quatro tipos principais de painéis solares fotovoltaicos no mercado: silício monocristalino, silício policristalino, de filme fino (Thin-Film) e células solares de perovskita. 

Painéis solares monocristalinos

São feitos a partir de cristais de silício puro e são os painéis solares mais eficientes, convertendo até 24% da energia solar em energia elétrica. Eles têm uma aparência distinta, as células solares tem uma cor uniforme e bordas arredondadas.
Os painéis fotovoltaicos monocristalinos têm melhor desempenho em comparação com os policristalinos principalmente às características estruturais e à qualidade do material utilizado na fabricação. A seguir, explicamos os principais motivos:

Estrutura do silício mais pura e uniforme

Os painéis monocristalinos são feitos de silício de alta pureza em um único cristal contínuo. Essa estrutura uniforme permite que os elétrons tenham um fluxo mais eficiente, reduzindo as perdas de energia e aumentando a eficiência da conversão da luz solar em eletricidade.

Maior eficiência energética

Devido à sua estrutura mais pura, os painéis monocristalinos atingem uma eficiência média entre 18% e 24%, enquanto os policristalinos geralmente ficam entre 15% e 18%. Isso significa que os painéis monocristalinos conseguem gerar mais energia utilizando a mesma quantidade de luz solar.

Melhor desempenho em baixa luminosidade

Os painéis monocristalinos têm um melhor desempenho em condições de baixa incidência de luz solar, como em dias nublados ou com pouca luz no início e no final do dia. Isso ocorre porque sua estrutura permite uma captação de energia mais eficiente mesmo com menos radiação.

Menor ocupação de espaço

Como são mais eficientes, os painéis monocristalinos produzem mais energia por metro quadrado. Isso faz com que sejam a melhor opção quando o espaço disponível para a instalação é limitado.

Maior durabilidade e vida útil

A alta pureza do silício nos painéis monocristalinos proporciona uma menor degradação ao longo do tempo. Eles mantêm sua eficiência por mais tempo e geralmente têm uma vida útil de 25 a 30 anos ou mais, com melhor retenção de desempenho em comparação com os policristalinos.

Painéis solares policristalinos

Este tipo de painel solar é feito a partir de vários cristais de silício e é menos eficiente em comparação com o monocristalino, com uma taxa de conversão de cerca de 19%. No entanto, são mais acessíveis em termos de custo.
Os painéis fotovoltaicos policristalinos geralmente têm um desempenho ligeiramente melhor em altas temperaturas em comparação com os painéis monocristalinos devido a algumas características específicas dos materiais e processos de fabricação. A seguir, explicamos os principais motivos:

Coeficiente de temperatura

Os painéis policristalinos apresentam um coeficiente de temperatura ligeiramente menor do que os monocristalinos. Isso significa que a perda de eficiência com o aumento da temperatura é menor nos policristalinos. O coeficiente típico de perda de potência em monocristalinos varia entre -0,4% a -0,5% por °C, enquanto em policristalinos é mais próximo de -0,3% a -0,4% por °C.

Estrutura dos cristais

Nos painéis policristalinos, os cristais de silício são menores e têm fronteiras entre os cristais, o que pode permitir uma melhor dissipação de calor. Em contrapartida, os monocristalinos possuem uma estrutura uniforme, com cristais maiores, que podem reter mais calor em altas temperaturas.

Menor densidade energética

Os painéis monocristalinos são mais eficientes em condições ideais, mas essa maior densidade energética faz com que sejam mais sensíveis ao aumento de temperatura. Em contraste, os policristalinos, que são menos densos e menos eficientes em condições normais, sofrem menos degradação com o calor.
Em resumo, apesar de os painéis monocristalinos serem mais eficientes em geral, em climas muito quentes, os painéis policristalinos tendem a perder menos eficiência devido ao seu coeficiente de temperatura menor e à sua capacidade de dissipar calor de forma mais uniforme.

Painéis solares de Filme Fino (Thin-Film)

Compostos por materiais como telureto de cádmio (CdTe) ou silício amorfo, esses painéis são mais leves e flexíveis, ideais para aplicações não convencionais, como fachadas de edifícios. Sua eficiência é mais baixa, variando entre 10% e 12%, mas oferece bom desempenho em altas temperaturas.

Células solares de perovskita

Este é o mais recente tipo de painel solar no mercado e é feito a partir de uma mistura de materiais semicondutores. Eles têm uma taxa de conversão de energia solar em eletricidade de cerca de 20%, semelhante ao monocristalino. No entanto, são mais baratos de produzir e possuem uma longa vida útil.

Tecnologias avançadas no fabrico de Painéis Solares

A tecnologia de painéis solares está em constante evolução, com o objetivo de aumentar a eficiência e reduzir os custos de produção. Nos últimos anos, várias tecnologias avançadas têm sido desenvolvidas, como os painéis bifaciais, a tecnologia PERC, a tecnologia TOPCon e a tecnologia heterojunção.

Painéis solares Bifaciais

Esses painéis captam luz solar em ambos lados, aumentando a geração de energia em até 30%, dependendo das condições do local de instalação. São ideais para regiões com alta reflexão de luz (luz de albedo), como áreas com neve ou superfícies brancas.

Painéis solares tipo PERC

Os painéis solares PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) representam uma evolução dos painéis monocristalinos e policristalinos. Eles utilizam uma tecnologia avançada que melhora a eficiência energética ao incluir uma camada reflexiva adicional na parte traseira das células solares.

Características dos painéis PERC

• Camada passivada: Reduz a perda de energia refletindo fótons não absorvidos de volta para a célula, aumentando a geração de eletricidade.
• Maior eficiência: Conversão de até 23% da luz solar em energia elétrica.
• Desempenho aprimorado em baixa luminosidade: Melhor eficiência em dias nublados ou condições de baixa luz.
• Redução de aquecimento: O design reduz os efeitos do superaquecimento, garantindo maior estabilidade energética.

Vantagens dos painéis PERC

• Aumento da eficiência em relação aos tradicionais.
• Menor necessidade de espaço: Ideal para projetos onde a área é limitada.
• Maior flexibilidade de instalação: Desempenha bem em uma ampla variedade de condições climáticas.

Painéis Solares Tipo TOPCon

Os painéis solares TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) são uma evolução dos painéis monocristalinos. Eles utilizam contatos passivados de óxido túnel para reduzir as perdas elétricas e aumentar a eficiência.

Características dos painéis TOPCon

• Alta eficiência: Pode alcançar até 24% de eficiência energética.
• Redução de perdas resistivas: A camada de óxido túnel minimiza as perdas de corrente.
• Maior durabilidade: Melhor performance térmica e maior resistência ao envelhecimento.

Vantagens

• Maior geração de energia em ambientes com alta temperatura.
• Alta confiabilidade e vida útil prolongada.
• Adequados para projetos de larga escala, como usinas solares.

Painéis Solares HJT Tipo N

Os painéis HJT (Heterojunction Technology) do tipo N combinam as vantagens do silício monocristalino com camadas finas de silício amorfo. Essa tecnologia híbrida é considerada uma das mais avançadas atualmente.

Características dos painéis HJT tipo N

• Alta eficiência: Chegam a valores superiores a 25%, com perda mínima de desempenho ao longo do tempo.
• Coeficiente térmico aprimorado: Melhor desempenho em temperaturas elevadas, com menor perda de eficiência.
• Tecnologia bifacial: a tecnologia HJT Tipo N oferece excelentes condições para a fabricação de painéis bifaciais que permitem captar luz solar tanto pela frente quanto pelo verso.

Vantagens:

• Degradação mínima: Apenas 1% de degradação no primeiro ano, contra 2-3% de painéis convencionais.
• Maior geração de energia ao longo da vida útil.
• Durabilidade excepcional: Vida útil superior a 30 anos.
• Aplicações: Os painéis HJT tipo N são ideais para projetos onde eficiência máxima e alta durabilidade são prioritárias.

Painéis Solares HIT

Os painéis solares HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer), desenvolvidos pela Panasonic, também utilizam a tecnologia híbrida de junção heterogênea, mas com foco em eficiência térmica.

Características dos painéis HIT:

• Camadas finas de silício amorfo combinadas com células monocristalinas.
• Alta eficiência (até 22,5%) com melhor desempenho em climas quentes.
• Excelente retenção de desempenho ao longo da vida útil.

Vantagens:

• Coeficiente térmico líder de mercado: Mantêm alta eficiência em altas temperaturas.
• Design compacto: Alta geração de energia em áreas menores.
• Alta sustentabilidade: Processo de fabricação com menor impacto ambiental.

Diferença entre HJT e HIT

Embora ambas sejam tecnologias de junção heterogênea, o HIT se diferencia pelo uso de camadas intrínsecas extremamente finas, que proporcionam maior eficiência em altas temperaturas.

Resumo Comparativo dos Tipos Avançados

Construção e Componentes de um Painel Solar Fotovoltaico

Um painel solar fotovoltaico é formado por vários componentes que trabalham juntos para converter a luz solar em energia elétrica de forma eficiente e confiável. Esses componentes incluem:

1. Células Solares Fotovoltaicas

   • Feitas principalmente de silício (monocristalino, policristalino ou outros materiais semicondutores).

   • São as responsáveis pela conversão direta da luz solar em eletricidade por meio do efeito fotovoltaico.

   • Cada painel contém dezenas ou centenas de células conectadas em série ou paralelo.

2. Vidro Temperado

   • Cobre a superfície frontal do painel para proteger as células contra impactos, poeira e intempéries.

   • É tratado para permitir a máxima transmissão de luz enquanto resiste a condições climáticas adversas.

3. Camada Antirreflexo

   • Aplicada às células fotovoltaicas para aumentar a eficiência ao reduzir a reflexão da luz solar.

   • Ajuda a capturar mais fótons, otimizando a geração de energia.

4. Camada Encapsulante

   • Protege as células fotovoltaicas contra umidade, sujeira e danos físicos.

   • Geralmente feita de materiais como EVA (etileno acetato de vinila), que proporciona flexibilidade e isolamento.

5. Módulo de Reforço Traseiro (Backsheet)

   • Uma camada protetora na parte traseira do painel.

   • Fornece isolamento elétrico e resistência contra intempéries.

6. Estrutura de Alumínio

   • Forma a moldura do painel, garantindo robustez e facilitando a instalação.

   • Ajuda a proteger o painel contra torções e danos durante o transporte e a montagem.

7. Caixa de Conexão e Cabos

   • Localizada na parte traseira, contém os terminais de conexão elétrica e diodos de bypass para evitar perda de energia.

   • Conecta os painéis entre si e ao inversor de corrente.

8. Camada de Proteção Adicional (Opcional)

   • Alguns painéis possuem uma camada extra para proteção contra impactos maiores, como granizo ou detritos em áreas sujeitas a tempestades.

Por que a construção é importante?

A qualidade dos materiais e o design influenciam diretamente a eficiência, durabilidade e desempenho do painel solar. Por exemplo, células fotovoltaicas de alta qualidade combinadas com vidro antirreflexo e encapsulantes confiáveis resultam em maior produção de energia e maior resistência ao desgaste.

Além disso, existem outros tipos de painéis solares, como painéis solares térmicos. Estes painéis são projetados para aquecer água em vez de gerar energia elétrica. Eles funcionam concentrando a luz solar em uma tubulação que contém água ou outro fluido. O calor gerado é usado para aquecer a água ou outro fluido, que é depois usado para fins domésticos ou comerciais, como aquecimento de água ou ar. 
Além destes tipos principais, existem vários outros tipos de painéis solares disponíveis, incluindo painéis solares híbridos, painéis solares flutuantes e painéis solares concentradores. Cada tipo de painel solar tem suas próprias características e aplicações únicas, por isso é importante escolher o tipo certo para a sua aplicação específica.

A escolha do tipo certo de painel solar dependerá das necessidades específicas de cada aplicação, como a quantidade de espaço disponível, a eficiência energética desejada e o orçamento disponível.

Os painéis solares fotovoltaicos são projetados para serem colocados em áreas que tenham acesso à luz solar direta, como telhados, pátios e áreas ao ar livre. Eles podem ser conectados a um regulador, inversor, carregador e a uma bateria para armazenar a energia gerada durante o dia e podem ser conectados à rede elétrica para fornecer energia aos dispositivos elétricos de uma casa ou edifício.

Além de ser uma fonte de energia renovável e limpa, os painéis solares fotovoltaicos oferecem uma série de vantagens, incluindo a redução dos custos com energia elétrica, a independência da rede elétrica e a geração de energia durante emergências ou interrupções de energia. Eles também são fáceis de instalar e mantêm-se, com uma vida útil de mais de 25 anos.

Em resumo, os painéis solares fotovoltaicos são uma tecnologia avançada e acessível que oferece uma solução eficiente e limpa para as necessidades energéticas da sociedade moderna.

Vantagens dos painéis solares

Algumas das principais vantagens econômicas e ambientais da utilização de energia solar fotovoltaica incluem:

1. Baixo impacto ambiental: a geração de energia elétrica a partir de fontes solares não produz poluentes atmosféricos, ruído ou resíduos tóxicos.

2. Economia a longo prazo: uma vez instalados, os painéis solares podem gerar energia por décadas, oferecendo economias significativas no custo de energia a longo prazo.

3. Redução de emissões de gases de efeito estufa: a geração de energia elétrica a partir de fontes solares não emite gases de efeito estufa, o que contribui para a redução de emissões de gases de efeito estufa.

4. Independência energética: com a geração de energia elétrica própria, os usuários de painéis solares fotovoltaicos são menos dependentes de fontes de energia externas e podem se sentir mais seguros em relação à sua segurança energética.

5. Valorização do imóvel: os painéis solares fotovoltaicos podem aumentar o valor de um imóvel devido à sua capacidade de gerar energia elétrica de forma independente.

6. Baixo custo de manutenção: uma vez instalados, os painéis solares fotovoltaicos requerem pouca manutenção, tornando-os uma opção muito atraente para aqueles que buscam soluções de energia a longo prazo. 

Em resumo, a utilização de painéis solares fotovoltaicos é uma opção atraente para aqueles que buscam economia a longo prazo, independência energética, redução de emissões de gases de efeito estufa e baixo impacto ambiental.

Manutenção e durabilidade

A manutenção dos painéis solares é geralmente mínima, e é importante para garantir sua eficiência e durabilidade. Algumas das medidas de manutenção incluem:

1. Limpeza dos painéis: A sujeira e a poeira acumuladas nos painéis podem afetar sua eficiência, por isso é importante mantê-los limpos regularmente.

2. Verificação da tensão: Verifique se a tensão dos painéis está dentro dos padrões recomendados, pois isso pode afetar a produção de energia.

3. Verificação das conexões: Verifique se as conexões elétricas estão seguras e bem conectadas, e que não há sinais de corrosão.

4. Monitoramento de desempenho: Monitorar o desempenho dos painéis solares pode ajudar a identificar problemas precocemente e a resolvê-los antes que eles se tornem graves.

5. Substituição de componentes: Se componentes dos painéis solares se danificarem ou falharem, é importante substituí-los rapidamente para garantir o funcionamento eficiente dos painéis.

Em geral, recomendamos realizar uma inspeção anual para garantir o funcionamento correto dos painéis solares.