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Painéis fotovoltaicos de energia solar

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Módulo fotovoltaico

Módulo fotovoltaico

Módulos fotovoltaicos ou painéis solares são dispositivos usados para capturar a energia da luz do sol. Os painéis solares fotovoltaicos contêm um conjunto de células solares que convertem luz em eletricidade. É chamado solar porque o sol é uma das fontes de energia mais fortes para este tipo de uso. As células solares são algumas vezes chamadas de células fotovoltaicas, e a energia fotovoltaica significa literalmente " eletricidade da luz". As células solares têm o efeito fotovoltaico para absorver a energia do sol e fazer com que a corrente elétrica flua entre duas camadas carregadas na direção oposta.

Atualmente, os custos associados aos módulos solares tornam-se baratos em aplicações onde a energia das estações elétricas está disponível. O custo dos combustíveis fósseis está aumentando, e a experiência de produção está reduzindo os custos das células solares, isso pode não ser visto em um futuro muito próximo, mas a longo prazo a tendência é um aumento no uso deste tipo de energia. renovável.

Um módulo fotovoltaico é um conjunto de células fotovoltaicas interconectadas protegidas do exterior por uma estrutura composta basicamente por um vidro e uma estrutura rígida.

As células fotovoltaicas são elementos que, graças às propriedades do silício, podem transformar a radiação solar em energia elétrica em baixa voltagem através do efeito fotovoltaico.

O painel fotovoltaico tem a função de agrupar todas essas pequenas voltagens geradas para fornecer uma voltagem nominal mais alta ao sistema.

Os módulos fotovoltaicos fornecem uma tensão CC. O restante dos elementos do sistema fotovoltaico será responsável por gerenciar e transformar essa tensão em corrente alternada, se necessário.

Coletores solares são painéis solares que, através das leis da termodinâmica, aproveitam o calor do sol para aquecer um líquido.

Tecnologias de construção para módulos fotovoltaicos

Dos muitos materiais que podem ser utilizados para a construção de módulos fotovoltaicos, o silício é o mais utilizado. O silício é obtido em wafers que são então unidos para formar um módulo fotovoltaico.

Os tipos de construção das células fotovoltaicas mais comuns são:

  • Silício monocristalino: as células têm uma eficiência de 18 a 21%. Eles tendem a ser caros e também estão presentes, eles são cortados com lingotes cilíndricos, é difícil cobri-los com superfícies estendidas sem desperdiçar material ou espaço.
  • Silício policristalino: células mais baratas, mas menos eficientes (15-17%), cuja vantagem reside na facilidade com que é possível cortá-las em formas adequadas para se juntarem aos módulos.
  • O silício amorfo
  • depositado por fase de vapor: as células fotovoltaicas têm baixa eficiência (8%), mas são muito mais baratos de produzir. de silício amorfo (a-Si) tem uma banda principal de silício cristalino (c-Si): isto significa que é mais eficiente na absorção do espectro visível da radiação solar, mas menos eficaz na recolha da parte de infravermelho. Uma vez que o silio nanocristalino (com domios cristalinos de nano-fim) é aproximadamente a mesma banda proibida Si-C, os dois materiais podem ser combinados para criar uma camada de células fotovoltaico, em que a camada de topo de a-Si absorve a luz visível e deixa a porção infravermelha do espectro para a célula de silício nanocristalina inferior.
  • CIS: as células são baseadas em camadas de calcogeneto (por exemplo, Cu (InxGa1-x) (SexS1-x) 2). Eles têm uma eficiência de até 15%, mas seu custo ainda é muito alto.
  • Fotoeletroquímica de células: estas células fotovoltaicas, construídas em 1991, foram inicialmente projetadas para imitar o processo de fotossíntese. Este tipo de célula em um módulo fotovoltaico permite um uso mais flexível de materiais e a tecnologia de produção parece ser muito conveniente. No entanto, os corantes utilizados nestas células sofrem problemas de degradação quando expostos ao calor ou à luz ultravioleta. Apesar desse problema, essa é uma tecnologia emergente com um impacto comercial esperado em uma década.
  • Híbrido célula fotovoltaica: combinando as vantagens de semicondutores orgânicos e vários tipos de semicondutores inorgânicos.
  • Célula fotovoltaica concentrada: o uso desta célula em um módulo fotovoltaico combina as tecnologias acima mencionadas com lentes de concentração solar que aumentam significativamente a eficiência. Eles representam a promissora nova geração de painéis ainda em desenvolvimento.
  • Silício monocristalino, no qual cada célula é feita de uma bolacha cuja estrutura cristalina é homogênea (monocristal), adequadamente dopada para formar uma junção pn;
  • Mulo fotovoltaico com silício policristalino, em que a bolacha mencionado acima não é estruturalmente homogénea, mas está organizado em grãos estão ordenados localmente.

Módulos fotovoltaicos cristalinos

  • Silício monocristalino, no qual cada célula é feita de uma bolacha cuja estrutura cristalina é homogênea (monocristal), adequadamente dopada para formar uma junção pn;
  • Mulo fotovoltaico com silício policristalino, em que a bolacha mencionado acima não é estruturalmente homogénea, mas está organizado em grãos estão ordenados localmente.

módulos de filme fino

Os módulos fotovoltaicos de filme fino são fabricados depositando-se o material semicondutor em um substrato semelhante a vidro, de modo que os painéis solares rígidos sejam usados ao ar livre; ou plástico, no caso de painéis flexíveis para usos menos convencionais.

O módulo de filme fino é fabricado monoliticamente e não requer a montagem de várias células, como no caso dos painéis de silício cristalino, além disso, a quantidade de material semicondutor presente no painel é consideravelmente menor que os painéis feitos com células fotovoltaicas padrão, o que reduz os custos de produção, por outro lado, o material depositado parece ter um alto defeito e, portanto, os painéis de filme fino terão uma eficiência menor em relação aos seus equivalentes monocristalinos.

Os módulos de filme fino são subdivididos em várias categorias de acordo com os materiais semicondutores nele depositados, entre os mais comuns que encontramos:

  • Silício amorfo, no qual os átomos de silício são quimicamente depositados em forma amorfa, ou estruturalmente desorganizados, na superfície de suporte. Essa tecnologia usa quantidades muito pequenas de silício (espessuras da ordem de microns). Os módulos de silício amorfo apresentam geralmente uma eficiência menos constante das outras tecnologias comparativamente aos valores nominais, apesar de terem garantias em linha com o mercado. O dado mais interessante refere-se ao EROEI, que fornece valores muito altos (em alguns casos chega a atingir 9), o que demonstra a eficiência econômica dessa tecnologia.
  • Telureto de cádmio (CdTe): estas são mais finos painéis solares com um preço mais baixo e uma baixa eficiência termodinâmica.
  • Sulfato de cádmio microcristalino (CdS), que tem custos de produção muito baixos, porque a tecnologia usada para a sua produção não requer a obtenção das altas temperaturas necessárias, em vez da fusão e purificação do silício. É aplicado a um suporte de metal para revestimento por pulverização, ou seja, é literalmente pulverizado como tinta. Entre as desvantagens associadas à produção deste tipo de células fotovoltaicas está a toxicidade do cádmio e a baixa eficiência do dispositivo.
  • O arsenieto de gálio (GaAs), é uma liga binária com propriedades semicondutoras, capaz de garantir rendimentos muito altos, devido à propriedade de ter uma abertura direta (ao contrário do silício). É usado principalmente para aplicações militares ou científicas avançadas (como missões automatizadas de exploração planetária ou fotodetectores especialmente sensíveis). No entanto, o custo proibitivo do material monocristalino do qual as células são fabricadas foi usado para um uso específico.
  • Dissulfeneto de cobre indiano (CIS), com uma opacidade variando de 100% a 70% obtida através de furos feitos diretamente no filme.
  •  

    Disseleneto de gálio de cobre indiano (CIGS)

  • Heterojunção, literalmente união entre diferentes substâncias, na qual uma camada de silício cristalino é usada como superfície de suporte de uma ou mais camadas amorfas ou cristalinas, cada uma das quais é otimizada para uma sub-banda de radiação específica;
  • Silicato microesférico, no qual é utilizado silício policristalino reduzido em esferas com um diâmetro de aproximadamente 0,75 mm enjaulado em substrato de alumínio;

Variantes patenteadas

Das tecnologias mencionadas, apenas o amorfo e o microesférico permitem a flexão do módulo: no caso do amorfo não há estrutura cristalina do material para evitar que ele se dobre, no caso do microesférico não é a célula (esfera) que dobra, mas a grade de favo de mel na qual ele é colocado.

Construção de módulos fotovoltaicos

O silício cristalino e o arsenieto de gálio são as escolhas típicas de materiais para células solares. Os cristais de arsenieto de gálio são criados especialmente para aplicações fotovoltaicas, mas os cristais de silício também são produzidos para consumo pela indústria de microeletrônica.

O silício policristalino tem uma porcentagem menor de conversão, mas a um custo reduzido.

Painéis Fotovoltaicos

Quando exposto a uma luz direta de 1 AU, uma célula de silício de 6 centímetros de diâmetro pode produzir uma corrente de 0,5 amperes a 0,5 volts. O arsenieto de gálio é mais eficiente.

Os conjuntos de painéis solares podem produzir eletricidade para locais isolados e com boa iluminação.

O vidro é cortado em pequenos discos, polido para eliminar o perigo de corte, dopantes são inseridos nos discos e os controladores metálicos são depositados em cada superfície: um pequeno conector na superfície voltado para o sol e um conector no outro lateral Os módulos solares são construídos com essas células cortadas em formas apropriadas, protegidas da radiação e danificadas pela aplicação de uma camada de vidro e cimentadas em um substrato (um painel rígido ou flexível).

As conexões elétricas são feitas em paralelo em série para determinar a tensão de saída total. A camada protetora deve ser um condutor térmico, porque a célula entra quando absorve a energia infravermelha do sol que não é convertida em energia elétrica. Como o aquecimento da célula reduz a eficiência operacional, é desejável reduzir esse calor. O resultado dessa construção é chamado módulo fotovoltaico ou painel solar.

Um painel solar é um conjunto de células solares. Embora cada célula solar forneça uma quantidade relativamente pequena de energia, um conjunto de células solares espalhadas por uma grande área pode gerar energia suficiente para ser útil. Para receber a maior quantidade de energia, os painéis solares devem ser direcionados diretamente para o sol.

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Última revisão: 30 de outubro de 2018

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