Células Solares Fotovoltaicas: Tipos, Perdas e Funcionamento

Incorporação de uma Célula Solar

Uma célula solar é formada a partir de uma pastilha de material semicondutor, como o silício, sobre o qual se espalha boro (região com impureza trivalente - P) e uma fina camada de fósforo (região com impureza pentavalente - N) para obter uma junção PN. Para melhorar o desempenho, o lado exposto à luz solar sofre um tratamento de superfície para reduzir os reflexos. Sobre essa superfície, há uma malha metálica que proporciona uma boa conexão elétrica, expondo a superfície ao sol. Isso é conseguido com placas de metal em forma de pente fino, de 20 a 150mm de largura. Essa grade é o terminal negativo da célula; a metalização do terminal positivo fica na parte de trás. A célula é completada com uma camada antirreflexiva na frente, facilitando a absorção de fótons.

Tipos de Células Fotovoltaicas

A. Breve História da Célula Solar

A primeira célula solar foi desenvolvida em 1883 por Charles Fritts, que revestiu uma amostra de selênio semicondutor com ouro. Em 1946, foi produzida a primeira célula fotovoltaica. Em 1954, os Laboratórios Bell descobriram a sensibilidade à luz de semicondutores dopados com impurezas. A corrida espacial do final da década de 1950 impulsionou o desenvolvimento de células solares para alimentar satélites. Em 1970, surgiu a primeira célula de arseneto de gálio (GaAs), material dominante na fabricação até a década de 1980, quando foi substituído pelo silício.

B. Tipos de Células Solares

Diversos tipos de células e módulos solares estão disponíveis no mercado e em laboratórios de pesquisa. Os mais comuns são:

• Células de silício monocristalino: eficiência de 15% a 18%.
• Células de silício policristalino: eficiência de 13% a 16%.
• Células de silício amorfo: eficiência de 6% a 9%.
• Células de arseneto de gálio: eficiência de 25%.

Esses valores estão em constante aumento.

Perdas e Desempenho da Célula Solar Fotovoltaica

As perdas de energia em uma célula solar ocorrem devido a:

• Energia dos fótons insuficiente para quebrar a ligação e gerar pares elétron-lacuna: 22% de perda.
• Energia dos fótons muito alta: 30% de perda.
• Recombinação de elétrons e lacunas: perda variável.
• Reflexão da radiação solar e sombra causada pela conexão elétrica: 8,5% de perda.
• Perda de tensão devido à resistência: 3% de perda.
• Outras perdas: 20% de perda.

Parâmetros de uma Célula Fotovoltaica

A curva corrente-tensão define o comportamento da célula fotovoltaica. Os parâmetros importantes são:

• ICC: Corrente de curto-circuito.
• VOC: Tensão de circuito aberto.
• WP: Pico de potência (energia elétrica máxima fornecida pela célula).

Dois fatores importantes influenciam o funcionamento de uma célula solar:

• A tensão em uma junção PN varia com a temperatura.
• A corrente fornecida por uma célula solar é proporcional à intensidade da radiação e à área da célula.

Módulos Fotovoltaicos

As células fotovoltaicas, geralmente de 36 a 96, podem ser conectadas em série ou em paralelo em grupos, com proteção contra intempéries. Esse conjunto de células agrupadas é chamado de módulo fotovoltaico.

Estrutura de um Módulo Fotovoltaico

Um módulo fotovoltaico é composto por:

• Capa frontal: Vidro temperado de 4mm de espessura.
• Encapsulamento: Etil vinil acetato (EVA).
• Contracapa: Fluoreto de polivinila (PVF).
• Estrutura: Alumínio anodizado para rigidez e resistência.
• Caixa de acesso: Na parte traseira, com proteção contra poeira e água.
• Células: Conectadas por tiras de metal soldadas ou incorporadas na grade.

Parâmetros dos Módulos Fotovoltaicos

As características de um módulo fotovoltaico, composto por várias células interligadas, são:

• Ponto de operação: Definido pela resistência da carga conectada.
• Corrente: Proporcional à radiação solar e limitada pela corrente de curto-circuito.
• Efeito da temperatura: A tensão de circuito aberto diminui com o aumento da temperatura, a corrente de curto-circuito aumenta e a potência diminui.

Potência e Tolerância de Produção

Os fabricantes classificam os módulos fotovoltaicos pela potência de pico. Existem tolerâncias nos parâmetros de cada módulo. Durante a vida útil (estimada em 25 anos), ocorre uma diminuição na energia gerada devido ao envelhecimento. Os fabricantes garantem 90% da potência nos primeiros 10 anos e 80% em 25 anos.

Hot Spot

O sombreamento de uma célula em um módulo com células em série pode causar sobreaquecimento localizado (hot spot). Para evitar danos, são usados diodos de bypass.

Ligação de Módulos Fotovoltaicos

Para ajustar a corrente e a tensão, os módulos podem ser agrupados em série (aumenta a tensão) ou em paralelo (aumenta a corrente). O conjunto de módulos de um sistema é chamado de gerador fotovoltaico. Existem três tipos de conexão:

1. Série: A corrente do gerador é igual à de um módulo, e a tensão é a soma das tensões dos módulos. IG = IM; VG = NS x VM.
2. Paralelo: IG = Np x IM; VG = VM.