Tudo o que você precisa saber sobre painéis solares

Quer poupar energia elétrica ou ter uma fonte de energia alternativa adicional e independente? Ou talvez você seja um defensor da energia verde? Se sim, então os painéis solares são o tema para você.

• Energia solar, ou o que são painéis solares
• Painéis solares – da história da criação
• Qual é a diferença entre painéis solares e coletores solares
• Como funcionam os painéis solares
• Tipos de placas de fotocélulas
• eficiência do painel solar
• O que afeta a eficiência energética dos painéis solares?
• Vantagens e desvantagens dos painéis solares
• Onde os painéis solares são usados?

Energia solar, ou o que são painéis solares

O sol é a principal fonte de energia para todos os seres vivos e nosso próprio planeta. Além disso, a quantidade de energia que chega à Terra em apenas 40 minutos é suficiente para satisfazer as necessidades energéticas de todos os habitantes do globo durante o ano. Dados os recursos renováveis e virtualmente ilimitados do corpo celeste, as perspectivas de seu uso são grandes. Além disso, de todas as fontes alternativas de energia, é a solar que é reconhecida como a mais segura e amiga do ambiente. Portanto, hoje a energia do sol está se tornando cada vez mais demandada em várias esferas da vida humana.

Dispositivos especiais ajudam as pessoas a aproveitar esse presente da natureza – painéis solares (ou baterias solares) . Eles convertem a energia livre do Sol em energia elétrica e estão ganhando cada vez mais popularidade em todo o mundo.

Painéis solares – da história da criação

A ideia de converter a luz solar gratuita em energia que funcionará em benefício do homem anima as pessoas há muito tempo. Acontece que a primeira solução historicamente foram as usinas térmicas solares ou coletores solares , que são fundamentalmente diferentes das baterias solares (discutiremos brevemente o princípio de operação dos coletores abaixo). Os painéis solares tornaram-se, de fato, a segunda e bastante bem-sucedida tentativa da humanidade de converter a energia do sol em outro tipo de energia que pode ser usada para alimentar vários tipos de instalações residenciais, não residenciais e comerciais.

E embora a energia solar não tenha tantos anos, seu desenvolvimento foi precedido por uma série de descobertas e desenvolvimentos. Mas o verdadeiro avanço na direção do uso da energia da luz aconteceu em meados do século 19, quando o cientista francês Alexandre Edmond Becquerel descobriu o fenômeno do efeito fotoelétrico. Em 1873, o engenheiro eletricista inglês Willoughby Smith descobriu o efeito da fotocondutividade no selênio e, alguns anos depois, o americano Charles Fritts projetou a primeira célula solar, constituída por uma fina camada de selênio localizada entre placas de ouro e cobre, e tendo uma eficiência de apenas 1%.

Em 1987, Heinrich Hertz descobriu o efeito fotoelétrico externo e, em 1889, o russo Alexander Stoletov, em cuja montagem experimental fluía uma corrente elétrica, nascida dos raios de luz, descreveu os padrões do efeito fotoelétrico. Mais tarde, Albert Einstein “teve uma mão” nisso. No início do século 20, ele explicou o efeito fotoelétrico com base na teoria quântica, pela qual mais tarde recebeu o Prêmio Nobel. E os primeiros protótipos de painéis solares foram criados pelo fotoquímico italiano Giacomo Luigi Chamichan. Posteriormente, pesquisas científicas na área de semicondutores levaram à síntese de células solares de silício com uma eficiência de 4%. Essa inovação foi feita em 1954 no laboratório da Bell Telephone Company. Mais tarde, sua eficiência foi aumentada para 15%, e os painéis solares foram usados pela primeira vez em áreas rurais e cidades remotas como fonte de energia para um sistema de comunicação telefônica, onde foram usados com sucesso por muitos anos. Alguns anos depois, satélites usando painéis solares foram lançados no espaço. Posteriormente, foram desenvolvidas e criadas fotocélulas baseadas em outros semicondutores.

Qual é a diferença entre painéis solares e coletores solares

Como escrevemos acima, a humanidade inventou os coletores solares antes dos painéis solares. São aparelhos completamente diferentes, embora ambos convertam a energia do Sol e tenham a palavra “solar” no nome. Nisso, talvez, sua comunhão termine. Agora vamos ver as diferenças.

Em suma, ao usar coletores solares, o consumidor “na saída” recebe energia térmica na forma de um refrigerante aquecido, e os painéis solares são projetados apenas para gerar corrente elétrica.

Os painéis solares convertem diretamente a energia do sol em eletricidade usando células fotovoltaicas (PVC – conversores fotovoltaicos ou células solares).

Солнечный коллектор – это гелиоустановка, задача которой собирать и передавать тепловое излучение теплоносителю, который циркулирует через коллектор. В свою очередь, теплоноситель нагревает емкость, где находится вода для обеспечения горячего водоснабжения. То есть в отличие от солнечных панелей, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя, а затем накопленная энергия используется для определенных целей (нагрева воды, работы отопительной системы, промывочных работ). Попросту говоря, солнечные коллекторы производят горячую воду.

Como funcionam os painéis solares

Os painéis solares são projetados para converter a energia solar em energia elétrica. Eles também são chamados de painéis solares ou módulos solares. Um painel solar é um dispositivo composto por células fotovoltaicas, que estão envolvidas apenas na conversão de um tipo de energia em outro. As células fotovoltaicas são placas semicondutoras que convertem diretamente a radiação solar em corrente elétrica. Entre si, as fotocélulas são conectadas em circuitos elétricos paralelos ou em série, que juntos funcionam como uma única fonte de corrente elétrica.

As células fotovoltaicas são feitas de diferentes elementos, mas as células solares à base de silício são as mais comuns. Eles são produzidos em escala industrial. Cádmio, telúrio, selenetos de cobre e silício amorfo são usados com menos frequência. Uma porcentagem ainda menor – cerca de 10% – são células solares de película fina (por exemplo, CdTe).

Se falamos de células solares de silício, cada um dos elementos é uma placa fina composta por duas camadas de silício com suas próprias propriedades físicas, que estão interconectadas. Como estamos falando de semicondutores, as camadas devem ter permeabilidades diferentes para que os elétrons livres possam passar livremente de uma camada para outra. Afinal, um semicondutor é um material cujos átomos não possuem elétrons (tipo p) ou possuem elétrons extras (tipo n). Normalmente, a camada superior é negativa (camada n) como o cátodo e a camada inferior é positiva (camada p) como o ânodo. Os elétrons em excesso da camada n podem deixar seus átomos, enquanto a camada p captura esses elétrons. São apenas os raios do sol e atuam como um catalisador para tal reação – eles “expulsam” elétrons dos átomos da camada n e depois voam para ocupar lugares vazios na camada p. Ou seja, quando partículas de luz (fótons) atingem a fotocélula, devido à não homogeneidade do cristal, forma-se uma força fotoeletromotriz de válvula entre as camadas do semicondutor.

Como resultado, há uma diferença de potencial e uma corrente de elétrons que se movem em um círculo vicioso, saindo da camada p, passando por uma carga externa (neste caso, uma bateria) e retornando à camada n. Assim, o princípio de funcionamento do painel solar assemelha-se a uma espécie de roda, ao longo da qual “correm” elétrons em vez de proteínas. Neste caso, a bateria é carregada gradualmente.

A camada superior da placa da fotocélula, voltada para o Sol, é feita de silício, mas com a adição de fósforo. Torna-se a fonte de excesso de elétrons no sistema de junção pn.

Tipos de placas de fotocélulas

De acordo com a tecnologia de fabricação, as pastilhas de silício de FEP são de dois tipos: monocristalino e policristalino. Os monocristalinos são feitos na forma de um quadrado com cantos chanfrados, policristalinos – mesmo quadrados. Mas a forma não é sua principal diferença.

As células solares de cristal único são feitas de um cristal de silício sólido cultivado artificialmente. E os policristalinos são obtidos por um método bastante simples e barato de resfriamento gradual do silício fundido.

Portanto, as fotocélulas monocristais têm uma estrutura homogênea e um maior coeficiente de desempenho (COP). No entanto, o custo de sua produção é mais alto, são mais caros que as placas policristalinas.

A desvantagem das placas policristalinas é sua baixa produtividade – não mais que 15%. Isto é devido à sua falta de pureza e estrutura interna. A eficiência de uma fotocélula monocristal já atinge 20-25%.

eficiência do painel solar

As fotocélulas de silício padrão são de junção única, ou seja, o fluxo de elétrons é realizado apenas através de uma junção pn, cuja zona é limitada em energia de fótons. Isso significa que cada célula solar individual pode produzir eletricidade apenas a partir de raios de um determinado espectro estreito. O resto da energia luminosa é desperdiçada. Esta é a principal razão para a eficiência não muito alta das fotocélulas.

A eficiência dos painéis solares hoje está tentando aumentar de várias maneiras. Por exemplo, uma das soluções são elementos de silício em cascata (multi-junção). Cada uma dessas células solares tem várias transições e é projetada para um determinado espectro de luz solar. Em suma, aumenta a eficiência de conversão de raios de luz em corrente elétrica e, com ela, o desempenho do painel como um todo. No entanto, o preço de tais elementos é superior ao dos de junção única. Portanto, em cada caso específico, o consumidor deve resolver o dilema do que é mais importante para ele – preço ou eficiência energética.

Normalmente, o número de células fotovoltaicas em um painel solar é um múltiplo de 12, e a potência nominal de um desses dispositivos é de 30 a 350 watts. As de menor eficiência, de 5% a 10%, possuem células solares amorfas, orgânicas e fotoquímicas. Tal painel com área de 1m ² gerará de 25 a 50 W/h de eletricidade. A eficiência das células solares de silício mais comuns hoje é de 17 a 25%. Isso significa que até 125 Wh são gerados por 1m2 ^de área do painel. Em geral, desenvolvedores de todo o mundo agora estão trabalhando para aumentar a eficiência em até 30%, e essas soluções já existem. Por exemplo, painéis solares baseados em arsenieto de gálio. São eles que são capazes de competir com os painéis de silício e, com uma área de 1m ² , esse painel fornecerá eletricidade no valor de 150 W / h.

O que afeta a eficiência energética dos painéis solares?

A eficiência energética é um indicador importante dos painéis solares. Por exemplo, uma fotocélula (uma placa) é capaz de produzir energia em dias ensolarados, o que será suficiente apenas para carregar uma lanterna. Portanto, quando se trata de escalas mais sérias de geração de eletricidade, as células solares geralmente são combinadas em circuitos (conexão paralela – para aumentar a tensão, série – para aumentar a força da corrente). Seu número e estrutura determinam em grande parte a eficiência energética dos painéis. Além disso, a eficiência energética dos painéis solares é afetada pelos seguintes fatores:

• potência de fluxo luminoso;
• o ângulo de incidência dos raios solares;
• seleção correta da resistência de carga;
• a temperatura do ar ambiente e do próprio painel;
• a ausência ou presença de um revestimento anti-reflexo de elementos.

Por exemplo, a célula solar e o próprio painel aquecem gradualmente durante a operação. A parte da energia que não foi para a produção de corrente elétrica é transformada em calor. Portanto, muitas vezes a temperatura na superfície do painel pode atingir valores superiores a 50Cº. No entanto, quanto maior a temperatura da superfície, pior o funcionamento da fotocélula. Isso significa que o mesmo painel funciona de maneira diferente em climas diferentes: menos eficiente em clima quente, mais eficiente em clima frio e mostra a máxima eficiência em um dia ensolarado e gelado.

Vantagens e desvantagens dos painéis solares

Como qualquer dispositivo, os painéis solares têm suas vantagens e desvantagens.

Benefícios dos painéis solares

• Inesgotabilidade, renovabilidade e disponibilidade universal de uma fonte de energia, o que é importante especialmente nas condições de esgotamento de outros tipos de combustíveis naturais (petróleo, gás, carvão).
• Amizade ambiental. As usinas de energia solar estão, de fato, entre os tipos mais ecológicos de geração de eletricidade. Durante a operação, eles não emitem impurezas nocivas no ar, funcionam silenciosamente em comparação com os moinhos de vento. A única coisa que você pode encontrar falhas, como nos carros elétricos, é o fato de os próprios painéis, baterias, usinas e vários condutores usarem substâncias tóxicas que poluem o meio ambiente.
• Custo-benefício – Os painéis solares oferecem uma oportunidade de economizar eletricidade e, consequentemente, dinheiro. Afinal, os raios do sol são usados para gerar eletricidade, que é absolutamente gratuita.
• Resistência ao desgaste e longa vida útil. O período de garantia é geralmente de 25 a 30 anos, mas a usina fotovoltaica não deixará de operar após esse período. O desgaste ocorre muito lentamente, especialmente se não houver peças móveis.
• Transformação simultânea de energia solar em energia elétrica.
• Geração de energia não apenas em dias ensolarados, mas também em dias nublados.
• A possibilidade de autonomização do sistema de alimentação da instalação e independência da alimentação centralizada.
• Simplicidade, estabilidade, confiabilidade do projeto e sua instalação.
• É possível construir o design, se houver necessidade de aumentar a potência do sistema, isso é fácil de fazer graças à modularidade dos painéis solares.

Desvantagens dos painéis solares

• Alto custo e longo período de retorno (até 10 anos).
• Baixa eficiencia.
• Baixa eficiência energética em tempo nublado e à noite.
• Geração de eletricidade desigual, que depende da luz e do clima. Isso pode ser compensado conectando o sistema à rede – então, durante o dia, será possível vender o excesso de eletricidade para a companhia elétrica e, à noite, usar o fornecimento de energia centralizado.
• Tamanhos grandes. Os painéis ocupam muito espaço – sua instalação requer uma quantidade significativa de espaço. Podem ocupar, por exemplo, todo o telhado e paredes do edifício.
• Difícil de usar em regiões com alta pluviosidade, especialmente neve.
• A necessidade de instalar dispositivos adicionais para geração de CA (painéis solares produzem apenas CC) e para armazenamento de energia (porque a eletricidade é gerada apenas durante o dia).

Onde os painéis solares são usados?

À medida que a tecnologia avança, o mesmo acontece com a energia solar. Os painéis solares estão se tornando mais baratos e eficientes, novas soluções de engenharia estão sendo desenvolvidas e o escopo de seu escopo está se expandindo. Os painéis solares são usados para criar usinas de energia solar (SPS) inteiras, que podem produzir eletricidade em grande escala. Portanto, hoje os painéis solares são usados não apenas na vida cotidiana, mas também na indústria, agricultura, indústria espacial e construção de estradas. A energia solar é usada para iluminação pública, carros elétricos, barcos elétricos e outros meios de transporte, em residências particulares, smartphones e diversos gadgets, em brinquedos infantis e até em aparelhos de churrasco. Mas, aparentemente, isso está longe do limite, e o escopo dos painéis solares se desenvolverá ainda mais ativamente e se tornará cada vez mais parte de nossas vidas.