Um painel solar (ou painel solar) é um dispositivo que captura a energia radiante do sol e a converte em outra forma de energia utilizável. Existem dois tipos principais de painéis solares: fotovoltaicos e térmicos.
Um painel solar fotovoltaico é composto por células solares fotovoltaicas que contêm materiais semicondutores capazes de converter a luz solar em eletricidade. Essas células absorvem fótons da luz solar e liberam elétrons, gerando assim uma corrente elétrica de corrente contínua (DC). Painéis fotovoltaicos são utilizados para produzir eletricidade e podem ser encontrados em sistemas residenciais, comerciais e industriais.
Por outro lado, um painel solar térmico é projetado para aproveitar a energia térmica do sol e aquecer água ou outros fluidos. Estes painéis térmicos são constituídos por colectores solares que absorvem a energia solar e transferem o calor para a água ou fluido circulante. Os painéis solares térmicos são utilizados principalmente para aquecimento de água em aplicações residenciais, comerciais e industriais, e podem contribuir significativamente para a redução do consumo de energia convencional para aquecimento de água.
Painéis fotovoltaicos: geração de eletricidade
Os painéis fotovoltaicos são projetados para a produção de eletricidade. Este tipo de painéis é constituído por pequenas células solares que convertem a radiação solar em energia elétrica graças ao efeito fotovoltaico.
Este tipo de painel solar é feito de materiais semicondutores normalmente derivados do silício. Os painéis são construídos interpondo duas camadas de silício nas quais cada uma é tratada de forma especial para gerar um campo elétrico.
Quando um fóton de luz atinge essas camadas, um elétron salta de um átomo de silício. Os elétrons soltos fluem na mesma direção gerando uma corrente elétrica devido ao campo elétrico criado.
Os painéis solares fotovoltaicos geram eletricidade na forma de corrente contínua e geralmente são acompanhados de conversores de corrente para obter corrente alternada.
Como funciona? O efeito fotovoltaico
Os painéis fotovoltaicos funcionam graças ao efeito fotovoltaico, fenômeno físico que permite a conversão da luz solar em eletricidade. Esse efeito ocorre em certos materiais semicondutores, como o silício, que são capazes de gerar corrente elétrica quando expostos à luz.
Cada painel fotovoltaico é composto por diversas células solares, que são as unidades básicas onde ocorre o efeito fotovoltaico. Quando a luz solar atinge uma célula solar, os fótons (partículas de luz) transferem sua energia para os elétrons no material semicondutor. Essa energia adicional permite que os elétrons se libertem de seus átomos, criando pares elétron-buraco (buraco é a ausência de um elétron). Devido à estrutura da célula, os elétrons livres se movem para um lado do semicondutor, enquanto os buracos se movem para o lado oposto, gerando uma diferença de potencial elétrico, ou tensão.
Essa movimentação de elétrons gera uma corrente contínua que pode ser utilizada diretamente para alimentar dispositivos elétricos ou, por meio de um inversor, convertida em corrente alternada para uso em residências ou indústrias. Assim, os painéis fotovoltaicos transformam a energia solar em energia elétrica de forma limpa e sustentável.
Materiais usados
Em geral, as células solares são feitas de silício cristalino ou arsenieto de gálio. Os cristais de arsenieto de gálio são criados para esses usos, enquanto os cristais de silício também são produzidos para consumo pela indústria microeletrônica.
Dependendo da configuração do silício das células solares, os painéis fotovoltaicos são classificados como painéis solares policristalinos, monocristalinos e de película fina. As principais diferenças entre eles são custo e eficiência.
Técnica de construção
Uma célula de silício de 6 cm exposta a 1 UA de luz direta pode produzir uma corrente de 0,5 amperes a 0,5 volts. O arseneto de gálio é ainda mais eficiente que o silício.
O vidro é cortado em pequenos discos e polido para eliminar o perigo de corte. Os dopantes são então inseridos nos discos e drivers de metal são depositados em cada superfície: um pequeno conector na superfície voltada para o sol e um conector no outro lado.
Os painéis solares são construídos com essas células cortadas em formatos apropriados. Além disso, eles são protegidos contra radiação e outros danos através da aplicação de uma camada de vidro e cimentados sobre um substrato (um painel rígido ou flexível).
As conexões elétricas são feitas em série-paralelo para determinar a tensão total de saída e devem possuir uma camada protetora que deve ser um condutor térmico.
Células fotovoltaicas que compõem um painel solar
Embora cada célula fotovoltaica forneça uma pequena quantidade de energia, um conjunto de células solares pode gerar energia suficiente para ser útil.
As configurações mais comuns de células solares são as seguintes
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Painéis solares de 36 células: este tipo de painel é o mais compacto do mercado e a opção mais recomendada em pequenas instalações isoladas. As 36 células solares geram uma tensão de saída de 12 volts.
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Painéis solares de 60 células. Utiliza 60 células solares para obter uma tensão de saída superior a 24V.
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Painéis solares de 72 células. Este tipo de módulo fotovoltaico conecta 72 células solares para obter uma tensão superior a 24V e é utilizado principalmente em instalações conectadas à rede elétrica.
Coletores solares: geração de calor
Os coletores solares fazem parte de instalações de energia solar térmica.
Sua função é aproveitar a energia térmica do sol para aquecer um líquido.
Este tipo de painel solar funciona fazendo circular um fluido em seu interior. O painel capta a energia térmica do sol. Este fluido aquece à medida que circula dentro do coletor.
Tipos de coletores solares
Existem vários tipos de coletores solares, cada um projetado para aplicações específicas dependendo da temperatura que precisa ser atingida:
- Coletores de baixa temperatura :
Coletores solares planos : São os mais comuns e consistem em uma superfície plana que absorve a radiação solar. São ideais para aplicações como aquecimento de águas domésticas ou aquecimento ambiente.
Coletores de tubo de vácuo : Esses coletores apresentam maior eficiência que os planos, principalmente em climas frios. São constituídos por tubos que contêm vácuo em seu interior, o que reduz a perda de calor. - Coletores de alta temperatura :
Concentradores solares de espelho parabólico : Utilizam espelhos parabólicos para concentrar a radiação solar em um pequeno receptor, aumentando assim a temperatura. Eles são usados em aplicações industriais ou na geração de eletricidade.
Espelhos planos ou lentes Fresnel lineares : Essas tecnologias também concentram a radiação solar, mas com design diferente da parabólica, e são utilizadas em aplicações onde são necessárias altas temperaturas. - Coletores de temperatura muito alta :
Centrais solares térmicas : Nestas instalações são utilizados campos de espelhos planos ajustáveis que refletem a radiação solar em direção a um único ponto focal. Este tipo de coletor é capaz de atingir temperaturas extremamente elevadas e é utilizado principalmente na geração de eletricidade em grande escala.
Exemplos de usos e aplicações
A instalação de painéis solares oferece a capacidade de gerar eletricidade ou calor, ampliando suas possibilidades de uso em diversas aplicações.
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Eletrônicos Portáteis: Painéis solares são usados para fornecer eletricidade e recarregar baterias em eletrônicos de consumo, como calculadoras e dispositivos portáteis.
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Carregamento de veículos elétricos: Os carros elétricos podem carregar suas baterias com energia solar. Isto pode ser conseguido através de painéis solares incorporados no veículo ou em estações de carregamento.
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Energia para edifícios: Em regiões tropicais e subtropicais com luz solar abundante, grandes painéis solares, como coletores solares, são usados para fornecer energia a edifícios e residências.
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Aplicações espaciais: As naves espaciais utilizam baterias solares como principal fonte de geração elétrica. Estas baterias são altamente eficientes e sustentáveis, em contraste com as fontes de energia nuclear e radioisótopo.
As principais aplicações dos coletores solares são:
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Água quente sanitária: Os colectores solares são utilizados para aquecer a água utilizada em habitações e edifícios, reduzindo assim a necessidade de sistemas de aquecimento convencionais.
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Sistemas de aquecimento: Fornecem calor para sistemas de aquecimento em residências e edifícios, reduzindo a dependência de fontes tradicionais de calor.
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Produção de eletricidade em grande escala: Nas usinas termelétricas a vapor, os coletores solares são utilizados para gerar eletricidade em grande escala, aproveitando a radiação solar como fonte de calor.