Fundamentos da Energia Solar Fotovoltaica e Componentes

Introdução à Energia Solar

Os sistemas tradicionais de produção de eletricidade representam um problema, tornando necessário que a sociedade desenvolva e utilize outras fontes de energia.

Desafios das Fontes Tradicionais

• O efeito estufa e as mudanças climáticas estão levando a secas cada vez mais prolongadas.
• Os combustíveis fósseis são um recurso limitado no tempo.
• As usinas nucleares apresentam o problema da eliminação de resíduos, além do risco de acidentes nucleares.

Métodos de Aproveitamento da Energia Solar

Métodos Indiretos (Termossolar)

A energia do sol é usada para aquecer um fluido e convertê-lo em vapor para produzir eletricidade através do movimento de um alternador (usinas termossolares).

Métodos Diretos (Fotovoltaicos)

A luz solar é convertida diretamente em energia elétrica através de células solares e suas aplicações.

Classificação das Instalações Solares Fotovoltaicas (ISF)

Aplicações Autônomas (Off-Grid)

Instalações localizadas em áreas sem ligação à rede elétrica. Incluem:

• Aplicações Espaciais: Utilizadas para fornecer energia a elementos baseados no espaço.
• Aplicações Terrestres: Incluem:
  • Telecomunicações
  • Eletrificação de zonas rurais e remotas
  • Sinalização
  • Iluminação pública
  • Bombeamento de água
  • Redes VSAT
  • Telemetria
  • Outras aplicações

Aplicações Conectadas à Rede (On-Grid)

O produtor não utiliza a energia diretamente, mas a vende para a agência responsável pela gestão de energia do país.

Parques Solares (Fazendas Fotovoltaicas)

Grandes recintos que concentram um número definido de sistemas fotovoltaicos para vender eletricidade à companhia elétrica, mediante contrato estabelecido.

PV Integrado em Edifícios (BIPV)

Aplicações mais recentes desenvolvidas para o uso de sistemas fotovoltaicos integrados na estrutura dos edifícios.

Componentes de uma Instalação Solar Fotovoltaica (ISF)

• Módulo Fotovoltaico: Elemento essencial que converte a energia solar em eletricidade (corrente contínua - CC). É formado pela união de diferentes painéis para fornecer a energia necessária à instalação.
• Controlador de Carga: Faz a ligação entre os painéis solares e os elementos de consumo da instalação. É responsável pela proteção da bateria contra sobrecargas e fornece sua saída em corrente contínua para a instalação. Define o valor da tensão nominal de operação da instalação.
• Bateria: Presente apenas em instalações autônomas, fornece energia durante os períodos sem luz solar ou quando a energia luminosa não é suficiente para a instalação.
• Inversor: Converte corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA) para alimentar dispositivos que funcionam com CA.

A Célula Solar Fotovoltaica

O elemento principal de qualquer instalação geradora de energia solar é a célula solar, que se comporta eletricamente como um diodo.

Principais Parâmetros da Célula Solar

• Corrente de Iluminação: A corrente gerada quando a radiação solar incide sobre a célula.
• Corrente de Escuro: Corrente devida à recombinação de pares elétron-buraco que ocorre dentro do semicondutor.
• Tensão de Circuito Aberto (Voc): Tensão máxima obtida nas extremidades da célula solar, que ocorre quando não está ligada a nenhuma carga.
• Corrente de Curto-Circuito (Isc): Valor máximo de corrente que pode fluir através da célula solar, ocorre quando seus terminais estão em curto.

Estrutura do Módulo (Painel) Solar

O painel solar é composto por um conjunto de células e elementos de proteção:

• Estrutura de Suporte: Deve fornecer a rigidez estrutural adequada para a instalação do módulo.
• Caixa de Conexão e Cabos: Encontrados na parte traseira do painel.
• Vidro de Cobertura: Serve para proteger as células solares de fenômenos atmosféricos.
• Moldura (Definição do Painel): Permite a instalação de um suporte.
• Encapsulamento: Protege o módulo contra intempéries e também protege as células e conexões contra vibrações.
• Conexão das Células: As células são interligadas em série ou em paralelo.

Tipos de Células Solares

• Monocristalinas: Eficiência típica de 15–18% (podendo chegar a 24%). Possuem cor azul uniforme e são formadas pela união de células individuais de silício puro fundido e dopado com boro.
• Policristalinas: Eficiência típica de 12–14% (podendo chegar a 19–20%). A superfície do vidro é estruturada e contém tons de azul, similar ao monocristalino, mas o processo de fabricação diminui o número de fases de cristalização.
• Amorfas: Eficiência típica de menos de 10% (podendo chegar a 16%). Têm uma cor uniforme (marrom) e são depositadas como uma folha fina sobre um substrato, como vidro ou plástico.

Conexão Elétrica das Células

Existem diferentes possibilidades para a ligação elétrica entre as células:

• Conexão em Série: Aumenta a tensão final do módulo.