Células fotovoltaicas: o que elas são e como funcionam

As células fotovoltaicas são o bloco básico para a produção de eletricidade. Vamos descobrir o que são e como funcionam.

Um sistema fotovoltaico é caracterizado por um conjunto de painéis solares, colocados em série ou em paralelo; na base dos painéis, estão as células fotovoltaicas.

Vamos descobrir juntos quais são os elementos básicos de um sistema fotovoltaico e como eles funcionam.

O projeto de um sistema fotovoltaico é uma operação muito delicada, que deve ser realizada com muito cuidado e atenção. Para evitar erros que podem custar caro após a instalação, aconselhamos um software fotovoltaico para projetar plantas de forma segura e guiada.

Definição de células fotovoltaicas

As células fotovoltaicas são o elemento básico na produção de energia elétrica através de energia solar. As células podem ser feitas de vários materiais; o semicondutor mais usado e de melhor desempenho é o silício.

O silício tem uma característica importante: uma quantidade mínima de energia é suficiente para que os elétrons de valência possam ser aproveitados para gerar uma corrente elétrica.

Para aproveitar a passagem de elétrons de banda de valência na banda de condução, se aplica a dopagem, ou seja, a adição de impurezas químicas elementares no elemento semicondutor: boro para a carga negativa e fósforo para a carga positiva.

Dopagem tetravalente de silício

Após a solidificação, esses sistemas são colocados um ao lado do outro por meio de uma junção neutra, o lado positivo com o negativo, e, no ponto onde está a conexão, há carga zero. Com este mecanismo é criado um sistema que é carregado positivamente de um lado e negativamente do outro lado, obtendo uma pilha.

Tipos de células fotovoltaicas

As células solares variam de acordo com o cristal que os caracteriza:

• células de silício monocristalino;
• células policristalino;
• células amorfo.

Tipos de células fotovoltaicas tecnológicas

Células fotovoltaicas monocristalinas

As células monocristalinas consistem em um único cristal, orientado na mesma direção. Esse recurso permite aproveitar ao máximo a energia solar que a célula é capaz de captar. A coloração das células é tipicamente preta.

O sistema adotado para produzir as células monocristalinas é o sistema Czochralski. É um processo no qual uma semente de cristal é inserida em um fuso de silício, dentro do qual a semente gira verticalmente no sentido anti-horário e, ao mergulhar muito lentamente, faz com que o próprio fuso se cristalize de maneira ordenada na semente que está mergulhando.

Células fotovoltaicas monocristalinas

Ao final do processo todos os cristais são orientados de forma homogênea a materializar um monocristal macro e dando vida a um lingote de silício. Estamos falando da estrutura básica; de fato, este cristal pode posteriormente ser dopado positiva ou negativamente com boro ou com fósforo.

O lingote obtido é cortado em fatias muito fina com espessura de algumas centenas de micrômetros, ou seja, um milésimo de milímetro, valor fundamental a se considerar, pois quanto menor a espessura, maior a eficiência da célula.

Lingotes de silício monocristalino

Realizada a camada, positivos ou negativos, eles serão colocados na superfície, dando vida à célula fotovoltaica.

Células fotovoltaicas policristalinas

As células policristalinas são obtidas de sucatas da indústria eletrônica; são compostos por vários cristais e sua cor típica é o azul iridescente.

Silicone policristalino

Neste caso, o resfriamento ocorre em um banho termostático, de maneira unidirecional de um extremo ao outro, através de um gradiente técnico. O processo ocorre lentamente, só mais rápido que o método de células monocristalinas.

A rapidez na realização traz vantagens energéticas e econômicas: o lingote confeccionado tem menor custo de produção, porém a orientação do cristal é mais desordenada e não permite aproveitar ao máximo a energia solar incidente.

O último processo envolve o depósito de filamentos metálicos para recolher os elétrons na parte carregada negativamente, a partir dos quais serão criados os vários módulos.

Detalhe da célula policristalina

Células fotovoltaicas amorfas

As células fotovoltaicas amorfas têm uma estrutura mais caótica do que o silício que, nessa configuração, não tem mais forma cristalina. A estrutura do silício amorfo pode ser explorada para a realização do filme fino, ou seja, para a criação de elementos com dimensões muito finas, adaptados a superfícies que não são perfeitamente planas.

Eles são empregados na área de integração arquitetônica, mobiliário urbano ou de elementos estruturais de edifícios.

O processo de criação de células amorfas é muito simples: sobre um substrato rígido (vidro ou metal) elas são depositadas com tecnologias adequadas (pulverização ou evaporação) múltiplas camadas de material: duas dessas camadas (as mais externas) tornam-se eletrodos de condução, enquanto a camada interna torna-se a junção da célula fotovoltaica.

Neste processo, as tecnologias mais utilizadas são as células solares de tripla junção, os sulfetos de cádmio e os telureto de cádmio.

Célula amorfa fotovoltaica

Funcionamento de uma célula fotovoltaica

Para tornar uma célula fotovoltaica energeticamente produtiva, é necessário ligá-la a dois instrumentos de medição: o amperímetro, que mede a corrente elétrica, e o voltímetro, que mede a tensão.

Em um circuito elétrico, os dois instrumentos são colocados em paralelo para evitar que o amperímetro meça a resistência elétrica presente no próprio voltímetro e para garantir a medição do desempenho da célula independente de sistemas externos.

Dentro do circuito, também é colocada uma carga elétrica o que afeta o desempenho da célula: dependendo da carga, tanto a intensidade quanto a tensão da corrente elétrica produzida variam.

Célula fotovoltaica

Além disso, dependendo da carga inserida, pode ser feita uma distinção entre circuito fechado e circuito aberto. Essas duas condições estão associadas a dois valores de referência que são usados para entender o desempenho da célula.

Para o circuito aberto, é medida uma corrente zero no amperímetro, pois não há contato elétrico, enquanto a tensão apresentará o valor máximo que a célula pode produzir. Esse valor é chamado de voltagem de circuito aberto (V_oc).

No circuito fechado há a carga mínima e a corrente é máxima, sendo inversamente proporcional à carga elétrica. A corrente máxima que pode ser produzida nestes casos é definida intensidade de corrente em circuito fechado (A_sc); uma tensão zero está associada a esta corrente.

Ao relatar esses valores em um diagrama chamado “CURVA VI”, curva característica de uma célula fotovoltaica ou curva voltamétrica, é possível entender a eficiência de uma célula fotovoltaica e, portanto, de um painel solar, através de 4 parâmetros fundamentais:

• pico de intensidade;
• tensão de pico;
• a potência de pico;
• fator de preenchimento.

Mais precisamente, os valores de tensão estão dispostos nas abcissas e os valores de intensidade elétrica nas ordenadas.

Fatores discriminantes de uma célula fotovoltaica

Funcionamento das células de acordo com as disposições

Células fotovoltaicas são como diodos e se comportam como baterias. Eles podem ser conectados em série ou em paralelo. A ligação em série, obtida ligando o lado positivo de uma célula com o negativo de outra célula, gera uma tensão dupla (soma das duas), enquanto a intensidade elétrica permanece constante.

O mesmo acontece na curva amperométrica: ao conectar as células em série, a curva apresenta um aumento de abcissas (tensão).

Para variar a intensidade da corrente, é necessário conectar as células em paralelo. Desta forma, conectando os eletrodos da mesma carga (positivo com positivo e negativo com negativo), obtém-se uma tensão constante, enquanto a intensidade da corrente aumenta e a curva amperométrica se desloca para cima.

As células fotovoltaicas também são afetadas pela temperatura, podendo comprometer seu desempenho. Especificamente, se a temperatura atingir determinados valores, há uma queda acentuada na tensão. Temperaturas elevadas podem prejudicar a eficiência da colagem e diminuir o desempenho.

Também na radiação solar incidente, há uma variação da curva. Especificamente, à medida que a radiação solar incidente diminui, a intensidade elétrica também diminui significativamente e a curva tende a se achatar, enquanto os valores de tensão não mudam muito.

Portanto, nas análises que antecedem a instalação de painéis fotovoltaicos, é essencial fazer referência aos dados climáticos concretos obtidos de atlas solares ou medições de campo, possivelmente usando um específico software fotovoltaico que fornece dados reais de radiação solar retirados dos principais bancos de dados climáticos de referência.

Células fotovoltaicas em painéis fotovoltaicos

As células fotovoltaicas se conectam em módulos, dando vida a painéis fotovoltaicos, que, por sua vez, estão ligados entre si constituindo a instalação fotovoltaica. Nessa conexão, os painéis podem ser dispostos em diferentes fileiras e módulos e, dependendo de como são conectados entre si, podem aumentar de intensidade ou tensão.

Células fotovoltaicas- configuração 2 cordas de 3 módulos

Células fotovoltaicas — Configuração de 3 cordas de 2 módulos

Uma vez estabelecida a potência a instalar, pode-se decidir produzi-la com um número variável de painéis. A escolha do layout e da potência pode ser determinada de acordo com o valor da radiação solar do local e a exposição do painel.

Mais uma vez, torna-se útil um software fotovoltaico capaz de apoiá-lo na escolha do número correto de módulos de acordo com os critérios de projeto definidos para maximizar a produção anual ou a potência máxima.

Além disso, esse software dispõe de biblioteca de módulos, inversores, baterias e componentes fotovoltaicos fundamentais para um projeto adequado.