Você provavelmente já viu painéis solares nos telhados das casas, mas sabe como eles realmente funcionam para gerar eletricidade? A seguir veremos o que são células fotovoltaicas e a tecnologia por trás de um painel solar que possibilita a criação de energia a partir do sol.
Uma célula solar, ou célula fotovoltaica, é um dispositivo elétrico que converte a energia da luz diretamente em eletricidade pelo efeito fotovoltaico, que é um fenômeno físico e químico. É uma forma de célula fotoelétrica, definida como um dispositivo cujas características elétricas, como corrente, tensão ou resistência, variam quando expostas à luz. Dispositivos individuais de células solares podem ser combinados para formar módulos, também conhecidos como painéis solares.
Como funcionam os painéis solares?
Em resumo, um painel solar funciona permitindo que fótons ou partículas de luz liberem os elétrons dos átomos, gerando um fluxo de eletricidade. Na verdade, os painéis solares compreendem muitas unidades menores chamadas células fotovoltaicas.
O termo fotovoltaico significa simplesmente que eles convertem a luz solar em eletricidade. Sendo assim, muitas células ligadas formam um painel solar. Cada célula fotovoltaica é basicamente um sanduíche composto por duas fatias de material semicondutor, geralmente silício, o mesmo material usado na microeletrônica.
Para funcionar, as células fotovoltaicas precisam estabelecer um campo elétrico. Assim como um campo magnético, que ocorre devido a polos opostos, um campo elétrico ocorre quando cargas opostas são separadas. Para obter esse campo, os fabricantes “drogam” o silício com outros materiais, dando a cada fatia do sanduíche uma carga elétrica positiva ou negativa.
As células solares são feitas dos mesmos tipos de materiais semicondutores, como o silício, usados na indústria microeletrônica. Para células solares, uma fina bolacha semicondutora é tratada especialmente para formar um campo elétrico, de um lado positivo e do outro negativo. Quando a energia luminosa atinge a célula solar, os elétrons são soltos dos átomos no material semicondutor.
Os condutores elétricos são conectados aos lados positivo e negativo, formando um circuito elétrico. Assim os elétrons podem ser capturados na forma de uma corrente elétrica, ou seja, eletricidade. Essa eletricidade pode ser usada para alimentar uma carga, como uma luz ou uma ferramenta.
As células solares produzem energia em três etapas
Uma célula solar fotovoltaica transforma a luz solar em eletricidade utilizável em três etapas gerais:
- A luz é absorvida e derruba os elétrons;
- Fluxo de elétrons frouxos, criando uma corrente;
- A corrente é capturada e transferida para os fios.
O efeito fotovoltaico é um processo complicado, mas essas três etapas são a maneira básica pela qual a energia do sol é convertida em eletricidade pelas células solares.
Tipos de células solares: monocristalinas e policristalinas
Existem dois tipos principais de células solares usadas hoje: monocristalinas e policristalinas. Embora existam outras maneiras de sua produção de energia solar, as células solares monocristalinas e policristalinas são de longe as opções residenciais e comerciais mais comuns.
Uma célula solar monocristalina é feita a partir de um único cristal do elemento silício. Por outro lado, as células policristalinas são produzidas pela fusão de muitos fragmentos de cristais de silício. Isso leva a dois diferenciadores principais entre monocélulas e policélulas.
Em termos de eficiência, células solares monocristalinas são geralmente mais altas do que suas contrapartes policristalinas. Isso se deve ao uso de um único cristal alinhado de silício. O resultado é um fluxo mais fácil para os elétrons gerados pelo efeito fotovoltaico.
As células policristalinas têm fragmentos de silício alinhados em várias direções diferentes, o que torna o fluxo de eletricidade um pouco mais difícil. No entanto, painéis solares feitos com células solares policristalinas geralmente são mais baratos que as opções monocristalinas.
Isso porque o processo de fabricação de uma célula policristalina é mais simples e requer menos processos especializados.
Módulo fotovoltaico
Um número de células solares conectadas eletricamente umas às outras e montadas em uma estrutura ou suporte é chamado de módulo fotovoltaico. Esses módulos são projetados para fornecer eletricidade a uma certa voltagem, como um sistema comum de 12 volts. A corrente produzida depende diretamente da quantidade de luz que atinge o módulo.
Vários módulos podem ser conectados juntos para formar uma matriz. Em geral, quanto maior a área de um módulo ou matriz, mais eletricidade será produzida. Os módulos e matrizes fotovoltaicos produzem eletricidade de corrente contínua. Desse modo eles podem ser conectados em arranjos elétricos em série e paralelos. Isso é feito para produzir qualquer combinação necessária de tensão e corrente.
Efeito fotoelétrico
O efeito fotoelétrico foi observado pela primeira vez pelo físico francês Edmund Bequerel. Em 1839 ele descobriu que certos materiais produziriam pequenas quantidades de corrente elétrica quando expostos à luz.
Em 1905, Albert Einstein descreveu a natureza da luz e o efeito fotoelétrico. No qual ele baseia a tecnologia fotovoltaica, pela qual mais tarde ganhou um prêmio Nobel de física. O primeiro módulo fotovoltaico foi construído pela Bell Laboratories em 1954. Ele era anunciado como uma bateria solar e era apenas uma curiosidade, pois era muito caro para se obter um amplo uso.
Na década de 1960, a indústria espacial fez o primeiro uso da tecnologia para fornecer energia a bordo de naves espaciais. Por meio dos programas espaciais, a tecnologia avançou, sua confiabilidade foi estabelecida e o custo começou a cair.
Crescimento da energia solar fotovoltatica
A energia solar fotovoltaica está crescendo rapidamente e a capacidade mundial atingiu cerca de 300 gigawatts até 2016. Desde 2000, a capacidade instalada registrou um fator de crescimento de cerca de 57%.
Atualmente mais de 100 países usam energia solar fotovoltaica. China, Japão e Estados Unidos são os mercados que mais crescem. Enquanto a Alemanha continua sendo o maior produtor mundial, contribuindo com mais de 7% para suas demandas nacionais de eletricidade.
A energia fotovoltaica é agora, depois da energia hidrelétrica e eólica, a terceira fonte de energia renovável mais importante em termos de capacidade instalada globalmente.
Eficiência das células fotovoltaticas
A eficiência elétrica de uma célula fotovoltaica é uma propriedade física. Isso representa sobretudo, quanta energia elétrica uma célula pode produzir para uma dada irradiância solar. A expressão básica para a eficiência máxima de uma célula fotovoltaica é dada pela razão entre a potência de saída e a energia solar incidente.
A eficiência é medida em condições ideais de laboratório e representa a eficiência máxima alcançável das células fotovoltaticas. Assim, a eficiência real é influenciada pela temperatura, irradiância e espectro.
