Painel solar fotovoltaico

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Painel solar fotovoltaico

Tipo	solar panel (d) gerador elétrico

Características

Composto de	célula solar solar panel junction box (d)

Funcionamento

Produto	eletricidade

Painéis solares fotovoltaicos, também chamados de placas solares fotovoltaicas, são dispositivos utilizados para converter a energia da luz do Sol em energia elétrica. Os painéis solares fotovoltaicos são compostos por células solares, assim designadas já que captam, em geral, a luz solar. Estas células são, por vezes, e com maior propriedade, chamadas de células fotovoltaicas, ou seja, criam uma diferença de potencial elétrico por ação da luz (seja do Sol ou da sua casa). As células solares contam com o efeito fotovoltaico para absorver a energia do sol e fazem a corrente elétrica fluir entre duas camadas com cargas opostas.

Atualmente, os custos associados aos painéis solares, que são muito caros, tornam esta opção ainda pouco eficiente e rentável. O aumento do custo dos combustíveis fósseis e a experiência adquirida na produção de célula solares, que tem vindo a reduzir o custo destas células, indica que este tipo de energia será tendencialmente mais utilizado.

Teoria e construção

Ver também: Célula solar

Uma célula fotovoltaica.

O silício cristalino e o arsenieto de gálio são os materiais mais frequentemente utilizados na produção de células solares. Os cristais de arsenieto de gálio são produzidos especialmente para usos fotovoltaicos, mas os cristais de silício tornam-se uma opção mais econômica, até porque são também produzidos com vista à sua utilização na indústria da microeletrónica. O silício policristalino tem uma percentagem de conversão menor, mas comporta custos reduzidos.

Quando expostos à luz direta de 1 AU, uma célula de silício de 6 centímetros de diâmetro pode produzir uma corrente de 0,5 ampere a 0,5 volt, ou seja, cerca de 0.25 watts. O arsenito de gálio é mais eficiente. ^{[carece de fontes]}

O cristal, depois de crescido e dopado com boro, é cortado em pequenos discos, que são polidos para regularizar a superfície. A superfície frontal é dopada com fósforo e condutores metálicos são depositados em cada superfície: um contacto em forma de pente na superfície voltada para o Sol e um contacto extenso no outro lado. Os painéis solares são construídos dessas células cortadas em formas apropriadas, protegidas da radiação e de danos ao manusear por meio da aplicação de uma capa de vidro e cimentada num substrato (seja um painel rígido ou um flexível). As conexões elétricas são feitas em série e em paralelo, conforme se queiram obter maior tensão ou intensidade. A capa que protege deve ser um condutor térmico, pois a célula aquece ao absorver a energia infravermelha do Sol, que não é convertida em energia elétrica. Como o aquecimento da célula reduz a eficiência de operação é desejável reduzir este calor. O resultante desta construção é chamado painel solar.

Um painel solar é um conjunto de células solares. Apesar de cada célula solar fornecer uma quantia relativamente pequena de energia, um conjunto de células solares espalhadas numa grande área pode gerar uma quantidade de energia suficiente para ser útil. Para receber maior quantia de energia, os painéis solares devem estar direcionados para o Sol.

Painéis solares de baixo custo

Painel Solar.

Existem diversas iniciativas ao redor do mundo para a produção de placas solares de baixo custo utilizando materiais mais comuns. Um delas é a do World Community Grid, que é um dos braços tecnológicos da Universidade de Harvard nos Estados Unidos da América. Este braço tecnológico trabalha utilizando um software chamado BOINC, que utiliza do processamento computacional compartilhado com voluntários via internet construindo, desta maneira, um supercomputador público para pesquisas científicas utilizando o processamento ocioso do computador para executar o processamento dos projetos do qual o voluntário optou por participar. Existem vários projetos oficialmente suportados.

Um dos projetos desenvolvidos pela Universidade é o The Clean Energy Project que procura as melhores moléculas orgânicas simuladas em ambiente virtual para a produção de painéis solares de baixo custo. Neste projeto, os computadores dos voluntários não faziam apenas cálculos computacionais para descobrir as mais promissoras moléculas fotovoltaicas, mas também faziam cálculos que indicavam qual é o melhor procedimento de fabricação de tais moléculas. Além do que, as simulações eram feitas por meio de átomos facilmente encontrados na natureza, sem a simulação de elementos caros que as células solares costumam ter, para se ter custos baixíssimos em seu fabrico, dando origem a resultados de moléculas orgânicas fotovoltáicas.

Depois de anos de processamento computacional compartilhado, foram disponibilizadas em 24 de junho de 2013 os resultados das moléculas no site http://www.molecularspace.org/ em domínio público. São mais de 20.000 promissoras moléculas processadas. Entre os resultados, foi divulgado que há diversas moléculas com índice de conversão de luz solar em energia elétrica de 10% e algumas com conversão superior a 13%.

Ainda de acordo com o The Clean Energy Project, eles estão desenvolvendo algoritmos genéticos para que as melhores moléculas até então descobertas possam ser aperfeiçoadas por este algoritmo, que utiliza o mesmo princípio da seleção natural biológica, criando novas versões destas moléculas que podem resultar em gerações de moléculas mais eficientes que as anteriores.

Com o desenvolvimento deste trabalho e a primeira disponibilização gratuita sem patentes em domínio público da composição molecular e do processo de fabrico, se espera que os painéis solares sejam, com o tempo, mais viáveis economicamente para fabricação em larga escala pela indústria e até mesmo para as pessoas por meio de tintas fotovoltaicas cujo custo se estima ser o mesmo de 1 metro quadrado de tinta comum.

Operação e ciclo de vida

Ao planear uma instalação fotovoltaica, tem-se em conta a sua vida útil: inquéritos do setor mostram que o prazo de vida útil estimado de grandes usinas solares aumentou para cerca de 32,5 anos, e as estimativas aplicadas normalmente variam de 25 a mais de 35 anos. Mesmo módulos em bom estado perdem gradualmente rendimento: uma revisão de quase dois mil medições mostrou uma redução mediana de potência de cerca de 0,5% ao ano.

Para transferir a produção diurna para as horas noturnas é necessário um sistema de armazenamento; num guia mantido para o mercado britânico, o custo de baterias solares domésticas é indicado entre menos de 2 000 a 6 000 libras, dependendo da marca, capacidade, tipo e vida útil. A eletrónica de potência pode necessitar de substituição antes dos módulos: a vida útil típica de um inversor solar doméstico é estimada em cerca de 12 anos. A produção também é afetada pela sujidade na superfície: um coeficiente de sujidade de 0,95 corresponde a uma perda anual de energia de aproximadamente 5%.

O resultado económico depende do aproveitamento do excedente de geração. No Reino Unido, o mecanismo Smart Export Guarantee obriga os fornecedores participantes a pagar, conforme os requisitos, aos pequenos geradores pela eletricidade exportada para a rede. Os sistemas de armazenamento também são componentes substituíveis: a sua vida útil típica é de cerca de 10–12 anos e normalmente é mais curta do que a dos painéis.

Após a desativação, é possível a reutilização, o reparo ou a reciclagem. O reparo de defeitos individuais dos módulos é tecnicamente possível, mas frequentemente trabalhoso, caro e de difícil escalabilidade. Para módulos de silício, o principal método comercial continua a ser a reciclagem mecânica, enquanto a combinação de processos térmicos e químicos aumenta a recuperação e a pureza do silício, da prata e de outros metais.

Produção mundial de energia solar

Radiância solar média (W/m²). Nota que este valor corresponde a uma superfície horizontal. Os painéis solares são normalmente dispostos obliquamente, recebendo assim, mais energia. Os pontos negros representam a área necessária para satisfazer as necessidades de energia primária do mundo inteiro.

Estima-se que o total da potência de pico instalada em painéis solares tenha sido da ordem dos 8 GWp (gigawatts-pico) A tabela seguinte compara a capacidade instalada total com a instalada só em 2007. O total de instalações ligadas à rede elétrica estão separadas das instalações isoladas. A tabela também mostra a capacidade instalada per capita, assim como o preço por watt-pico e o valor pago pelos estados como incentivo à produção de eletricidade a partir de energia solar. A chamada insolação é uma medida do rendimento do painel — por cada kWp pico instalado, quantos kWh são produzidos num ano. Este valor depende de vários fatores controláveis como a orientação do painel em relação ao Sol e o material com que o painel é feito. O número de horas de sol por dia é um fator bastante importante e não se pode controlar.

Capacidade instalada de potência fotovoltaica no fim de 2007

País ou região	****	Fora da rede (MWp)	Ligado à rede (MWp)	Total (MWp)	Wp/capita Total	Preço €/Wp	kW·h/kWp·yr Insolação	Incentivo cêntimos/kW·h
Mundo	2007 Total	127,9 662,3	2130 7178	2258 7841		2,5–11,2	800–2902	0–65
Alemanha	2007	35	1100	1135	46.8	4,0–5.3	1000 !1,000–1,300	51,8–56,8
	Total	35	3827	3862
Japão	2007	1,562	208,8	210,4	15	2,96	1200 !1200–1600	terminou em 2005
	Total	90,15	1829	1919
Estados Unidos	2007	55	151,5	206,5	2,8	2,98	900–2150	1,2–31,04
	Total	325	505,5	830,5
Espanha	2007	22	490	512	15,1	03,0 !3,0–4,5	1600–2200	18,38–44,04
	Total	29,8	625,2	655
Itália	2007	0,3	69,9	70,2	2,1	3,2–3,6	1400–2200	36,0–49,0
	Total	13,1	107,1	120,2
Austrália	2007	5,91	6,28	12,19	4,1	4,5–5,4	1450 !1450–2902	0–26,4
	Total	66,45	16,04	82,49
Coreia do Sul	2007	0	42,87	42,87	1,6	03,50 !3,50–3,84	1500 !1500–1600	56,5 !56,5–59,3
	Total	5943	71,66	77,60
França	2007	0,993	30,31	31,30	1,2	03,2 !3,2–5,1	1100 !1100–2000	30,0 !30,0–55,0
	Total	22,55	52,68	75,23
Países Baixos	2007	0,582	1,023	1,605	3.3	03,3 !3,3–4,5	1000 !1000–1200	01,21 !1,21–9,7
	Total	5,3	48	53,3
Suíça	2007	0,2	6,3	6,5	4,9	03,18 !3,18–3,30	1200 !1200–2000	09,53 !9,53–50,8
	Total	3,6	32,6	36,2
Áustria	2007	0,055	2,061	2,116	3.4	03,6 !3,6–4,3	1200 !1200–2000
	Total	3,224	24,48	27,70
Canadá	2007	3,888	1,403	5,291	0.8	03.76 !3,76	0900 !900–1750	0 !0–29,48
	Total	22,86	2,911	25,78
México	2007	0,869	0,15	1,019	0.2	05.44 !5,44–6,42	1700 !1700–2600	Não tem
	Total	20,45	0,3	20,75
Reino Unido	2007	0,16	3,65	3,81	0.3	03.67 !3.67–5,72	0900 !900–1300	0 !0–11,74
	Total	1,47	16,62	18,09
Portugal	2007	0,2	14,25	14,45	1.7	6,3-11,4	1600 !1600–2200	65
	Total	2,841	15,03	17,87

Grandes instalações solares

Central Fotovoltaica Hércules em Moura.

O número e dimensão das centrais solares fotovoltaicas têm aumentado substancialmente nos últimos anos, especialmente na Espanha, onde localizam 40 das 50 maiores centrais.

As maiores instalações solares do mundo

Posição	Potência de PicoDC	Localização	Descrição	Energia produzida
1	69,6 MW	Puertollano, Espanha	400 000 módulos	consumo de 39 000 lares
2	60 MW	Olmedilla, Espanha	270 000 módulos	85 GWh/ano
3	46,4 MW	Amareleja, Portugal	262 080 módulos	93 GWh/ano
4	40 MW	Brandis, Alemanha	550 000 módulos (em construção)	40 GWh/ano
5	34 MW	Arnedo, Espanha	172 000 módulos	44 GWh/ano

Aplicações

Uma "árvore" fotovoltaica na Áustria.

Painéis solares no espaço

Visão da Estação Espacial Internacional e seus painéis solares.

Provavelmente o uso mais bem sucedido de painéis solares é em veículos espaciais, incluindo a maioria das naves que orbitam a Terra e Marte, e naves viajando rumo a regiões mais internas do sistema solar Nas regiões mais afastadas do Sol, a luz é muito fraca para produzir energia o suficiente e, por isso, são utilizados geradores termoelétricos de radioisótopos .

Alguns pesquisadores estão a desenvolver satélites de energia solar: plantas solares espaciais — satélites com um grande número de células fotovoltaicas que iriam enviar a energia captada para a Terra usando microondas ou lasers. As agências espaciais Japonesa e Europeia têm anunciado plano de desenvolver este tipo de plantas no primeiro quartel do século XXI. ^{[carece de fontes]}

Ao contrário dos foguetes químicos, que são impulsionados por uma reação química no propelente, usando os gases de exaustão como massa de reação, alguns métodos de propulsão de naves espaciais têm uma forma de expelir a massa da reação alimentados por eletricidade. Utilizando energia solar ou energia nuclear, esses métodos possuem um impulso específico. A quantidade de massa necessária para a reação cresce exponencialmente com o aumento da velocidade a ser produzida, porém reduzidamente se o impulso é alto (mas o impulso não deve ser muito alto porque a energia necessária é proporcional para um impulso específico maior). Com a energia solar, a aceleração que pode ser produzida é muito baixa (baixa para um lançamento), mas de muito maior duração. Os tempos de queima são meses ao invés de minutos, o que significa que há mais trabalho desenvolvido com menos massa ejectada.

As naves espaciais são construídas de modo a que os painéis solares possam orientar-se independentemente do movimento da nave. Assim se consegue optimizar a produção de energia orientando o painel na direção da luz, não importando para onde a nave esteja apontando.

Atualmente, a energia solar, além de usada para propulsão, tem sido utilizada em satélites artificiais que orbitam outros planetas. Como exemplo, as sondas Magellan em órbita de Vénus, e a Mars Global Surveyor, de Marte fazem uso da energia solar, da mesma forma que muitos artefatos que orbitam a Terra, como o Telescópio Espacial Hubble. Para missões futuras, é desejável reduzir a massa dos painéis solares e aumentar a potência gerada por unidade de área. Isto reduzirá a massa total da nave, e possibilitará operações a distâncias maiores do Sol. A sonda espacial Rosetta, lançada em 2 de março de 2004, usará painéis solares nas proximidades de Júpiter (5,25 UA); anteriormente, o uso mais distante de painéis solares foi com a espaçonave Stardust, à distância de 2 UA.

A massa dos painéis solares pode ser reduzida utilizando células fotovoltaicas solares de filme fino, feitas de substratos flexíveis. A eficiência pode ser aumentada utilizando novos materiais e concentradores solares que intensificam a luz incidente.

Concentradores fotovoltaicos são dispositivos que intensificam a luz solar nas células. Utilizam lentes planas, chamadas de lentes de Fresnel, que capturam uma grande área da luz do Sol e a concentram num ponto menor. O mesmo princípio é utilizado para gerar fogo com uma lupa num dia soalheiro. Os concentradores solares colocam uma dessas lentes em cada célula solar. Isto focaliza a luz do grande concentrador numa área de célula menor, permitindo que a quantidade de células solares seja reduzida pelo aumento da concentração da luz, reduzindo assim os custos. Os concentradores funcionam melhor quando existe apenas uma fonte de luz e o concentrador pode ser apontado diretamente para ela. Isto é o ideal no espaço, onde o Sol é a única fonte de luz. As células solares são a parte mais cara dos painéis solares, e esses geralmente são uma parte cara das espaçonaves. Esta tecnologia permite que os custos sejam cortados significativamente devido à utilização de menos material pesado. Ao contrário das aplicações em terra nos pontos fixos, geralmente é preferível gastar mais dinheiro numa tecnologia que produza mais energia para um menor peso, isto porque os custos de lançamento são elevadíssimos. Em 2007, pagava-se mais para tirar um material da influência gravítica terrestre, do que o seu próprio custo, mesmo que este material consista em metais preciosos.

Aparelhos que utilizam painéis solares

• Avião solar
• Veículo solar
• International Space Station

Pesquisa

Pesquisadores, em 2019, desenvolveram um algoritmo que aumenta a eficiência da célula solar e reduz o volume de energia atualmente desperdiçado devido à falta de controles adequados. O algoritmo capacita os controladores a gerenciar melhor as flutuações em torno do ponto de potência máxima de um sistema fotovoltaico solar.

Ver também

• Aquecimento solar
• Célula solar
• Energia solar fotovoltaica
• Veículo elétrico