Placa solar, painel solar ou modulo fotovoltaico são os nomes dados para um equipamento chave do sistema solar fotovoltaico. É o equipamento mais aparente, o qual fica em cima do telhado e o qual literalmente converte a luz do Sol em energia elétrica.
Quando falamos de sistemas fotovoltaicos, a primeira imagem que nos vêm à cabeça são aquelas placas solares instaladas nos tetos das residências ou comércios que fazem a captação da energia solar.
Entretanto, você sabe dizer como estas placas são fabricadas, do que são feitas e por que esta composição resulta na produção de energia elétrica através da luz do Sol.
Visibilidade dos painéis solares
Sem dúvidas este é o componente do sistema solar fotovoltaico mais aparente, e isto ocorre pois quase em todos os sistemas instalados em residências e pequenos comércios, os painéis solares são fixados no telhado.
O segredo para instalação deste componente é o posicionamento das placas, deve-se levar em conta a angulação, para que haja maior radiação e incidência de sombras, que deve ser nula ou a menor possível.
A incidência direta da radiação solar é de suma importância para que haja maior eficiência na conversão da radiação para energia elétrica, pois quanto mais luz direta nas células fotovoltaicas maior geração de energia.
Isto acontece porque as células fotovoltaicas, as quais compõem os módulos fotovoltaicos, tem seu funcionamento diretamente afetado pela entrada das partículas de fótons (luz) em seu interior.
Funcionamento do Painel Solar
O Efeito Fotovoltaico
O efeito fotovoltaico acontece na célula fotovoltaica, isto é, surge uma diferença de potencial (ddp, tensão ou popularmente conhecida como voltagem) em seu interior causado pela interação dos fótons da luz com os elétrons dos átomos do material utilizado na produção das células fotovoltaicas.
O efeito fotovoltaico é representado pelo esquema a seguir:
A alteração da estrutura eletrônica das células fotovoltaicas de silício surge da combinação das duas metades de material semi condutor com outros materiais.
Desta maneira, uma das metades se torna positiva (com falta de elétrons) e a outra se torna negativa (com sobra de elétrons).
Há formação de campo elétrico na área chamada Junção-PN, que é a área de contato entre as duas metades, com isto os elétrons em excesso de um lado são impedidos de atravessar para o outro lado onda há falta de elétrons.
Os fótons, carregados pela radiação luminosa, energizam os elétrons libertando-os da força de atração dos núcleos dos átomos tornando-os elétrons livres.
Devido ao campo elétrico da Junção-PN, os elétrons passam a se acumular na metade negativa da célula. É nesta face das células que é inserido uma fina grade, a qual geralmente é feita de pasta de prata, que serve para apanhar os elétrons livres, formando-se então uma corrente elétrica.
A corrente elétrica produzida é aproveitada com a realização de um trabalho útil, o qual pode ser o carregamento de um banco de baterias ou até mesmo a alimentação de algum equipamento eletrônico.
Resumo
Os fótons, que são as partículas da luz do Sol e que dão o nome ao sistema (fotovoltaico), ao encontrar uma célula fotovoltaica energizam os elétrons dos átomos de silício desprendendo-os fazendo com que sejam transportados do lado negativo para o lado positivo, obtendo-se então uma corrente elétrica contínua.
Módulos fotovoltaicos e sua eficiência
Uma faixa muito estreita do espectro da radiação solar é absorvida pelas células fotovoltaicas de silício cristalizado.
Fótons com frequência mais alta, ou seja próximos à luz ultravioleta, possuem energia em excesso sendo transformada em calor.
Já os fótons com energia inferior (próximos à luz infravermelha) que possuem frequências mais baixas, não oferece energia suficiente para a liberação dos elétrons, assim esta energia também convertida em calor.
Mesmo dentro da faixa utilizável para geração de energia elétrica, apenas parte dos fótons carrega a energia correta para o efeito fotovoltaico, os que concedem mais energia contribuem para geração de mais calor para o módulo.
Há um equívoco neste ponto, pois muitas pessoas acham que a geração de energia elétrica pelo efeito fotovoltaico é produzida através do calor. Ao contrário do que o senso comum diz, quanto mais calor, menor é a eficiência das células fotovoltaicas de silício cristalino.
Abaixo verifica-se o gráfico de aproveitamento da radiação solar para o efeito fotovoltaico:
Na área chamada Junção-PN há um gradiente elétrico, o qual contribui para reduzir a porcentagem de conversão fotovoltaica.
Durante a fabricação dos módulos fotovoltaicos, a conexão das células fotovoltaicas em série também ajudam com as perdas, pois há resistências entre ligações que são somadas.
Os fabricantes trabalham para identificar técnicas de produção que possam reduzir as perdas individuais e coletivas das células, e consequentemente do sistema fotovoltaico. O desenvolvimento dessas técnicas tendem a buscar a melhor eficiência de produção de energia elétrica.
É importante lembrar que os módulos ou painéis fotovoltaicos tem eficiência menor do que as células fotovoltaicas, isto porque os módulos possuem muita área “morta” que recebe radiação solar.
Resumo
Mediante uma vasta lista de benefícios do sistema solar fotovoltaico, um ponto fraco é a sua eficiência. Isto se deve tanto pela baixa porcentagem da radiação solar que chega com condições ideais para o efeito, quanto o desperdício de área aproveitável dos módulos fotovoltaicos.
A boa notícia é que com o passar do tempo, e com o avanço da tecnologia, pesquisadores estão conseguindo otimizar as células fotovoltaicas, e também os módulos: um protótipo recente aproveita não somente os fótons pelo efeito fotovoltaico como também o calor para produção de energia através do efeito térmico.
Módulos Fotovoltaicos
A célula Fotovoltaica
Cada célula fotovoltaica gera pouca energia, ou seja, pouca potência. Os valores de tensão (voltagem) das células giram em torno de meio volt (0,5V), independente da área da célula.
Já a geração de corrente elétrica é proporcional à área, quanto maior a célula, mais corrente elétrica. Isto significa algo em torno de 30 mili amperes por centímetro quadrado (mA/cm2).
As células fotovoltaicas devem estar associadas em série e encapsuladas adequadamente para que seja possível a utilização da energia elétrica produzida pela por elas. Caso contrário a produção de energia elétrica estará comprometida.
O módulo Fotovoltaico
Popularmente chamado de placa ou painel solar, por definição um módulo fotovoltaico é a associação de células fotovoltaicas (geralmente em série) e encapsuladas de modo a dar mais robustez mecânica, protegendo as células, permitindo a entrada de luz, a associação de módulos, resfriamento e fixação de estrutura.
Abaixo mostra-se o esquema de uma estrutura física de um painel solar de células fotovoltaicas de silício cristalizado (c-Si):
A imagem mostra o revestimento externo das células
Diretamente acima e abaixo das células utilizam-se folhas de etil vinil acetato, ou acetato de vinila (EVA, do inglês ethylene vinil acetate)
Utilizam-se uma lâmina de TPE (do inglês thermoplastic elastomer), ou elastômero termoplástico na parte inferior
Na parte superior fixa-se o vidro temperado e com especificações determinadas para captação de radiação solar e resistência mecânica
Todos estes materiais são então prensados e aquecidos em uma laminadora, pois quando laminados perfeitamente, fica extremamente difícil de separá-las.
Por fim, monta-se a moldura que é feita de alumínio, e a caixa de conexão, a qual permite a ligação entre os módulos e eventualmente com o inversor.
Resistência física dos painéis solares
Os módulos são fabricados para resistir a diversas condições como fortes ventos, massa da neve, calor extremo e impacto de granizos. Diversos testes são aferidos para verificar se estão de acordo com as normas internacionais.
Resistência ao granizo
Um dispositivo eletrônico dispara pedras de gelo de 7,53 gramas e 25mm2 à uma velocidade de 82km/h. Os painéis devem suportar 11 impactos diferentes, ou seja 11 esferas são disparadas em locais diferentes de cada módulo, e estes devem sair do teste intactos sem que os vidros frontais tenham quebrado ou trincado.
Na vida real, as pedras de gelo que caem do céu em uma chuva de granizo são muito menos densas do que estas utilizadas nos testes, portanto caem a uma velocidade muito menor pela resistência do ar. Isto mostra que os módulos são profundamente resistentes ao granizo.
Confira abaixo o video de uma bateria de testes de resistências em um módulo fotovoltaico.
Mas afinal, quanto custa um painel solar?
É possível fabricar um painel solar caseiro?
Sim, é possível fabricar manualmente um módulo fotovoltaico. Vale ressaltar que as primeiras placas solares foram produzidas manualmente.
Porém, hoje não faz sentido produzir este tipo de equipamento manualmente, pois com o avanço da tecnologia, maquinários e técnicas de produção com pouca intervenção humana, o custo do painel fabricado industrialmente é muito mais barato, e com muito mais qualidade do que os manufaturados.
Além disso, com a entrada das grandes empresas chinesas no mercado, as quais hoje dominam o mercado, o custo sofreu uma significante queda, aumentando ainda mais o acesso da população à estes equipamentos que reduzem a conta de luz das casas e empresas.
Outro motivo que desestimula a produção manual das placas solares, é que atualmente o sistema mais utilizado é o conectado à rede elétrica (on-grid), e este modo de instalação necessita que os equipamentos utilizados sejam regulamentados pelos órgãos reguladores, para que haja segurança entre os usuários e trabalhadores da rede elétrica.
Evolução dos preços
Foi na década de 70 que os primeiros módulos fotovoltaicos foram produzidos a fins comerciais, naquele momento havia uma grande crise do petróleo, e foram justamente as grandes empresas exploradoras de petróleo que investiram em desenvolvimento e pesquisa das células fotovoltaicas.
Nesta época uma placa solar simples de apenas 10 watts de potencia custava US$700!
Nos dias atuais, com apenas 700 reais é possível comprar no varejo um módulo fotovoltaico de 150 watts de potência, podendo até ser mais barato em alguns casos.
Há 10 anos atrás um módulo fotovoltaico de 205 watts-pico (Wp - significa a potência máxima em condições laboratoriais) custava em média R$3.500. Hoje um módulo com maior potência (315 Wp) pode ser comprado por apenas R$900,00.
Precificação dos módulos fotovoltaicos
O preços dos módulos e também do sistema completo fotovoltaico é comumente apresentado pelo termo preço por watt (R$/watt), que é a divisão do custo em reais pela potência-pico do módulo.
No exemplo do ano de 2008 acima, o preço por watt pico da placa de 205 Wp era de R$17,07/Wp, veja a conta:
R$3.500/205Wp = R$17,07/Wp
Seguindo exemplo do preço atual dos painéis:
R$900/315Wp = R$2,86/Wp
Com estes valores é possível notar a nítida redução dos custos deste material, em apenas 10 anos caiu de 17,07 para 2,86 reais. E tende a cair ainda mais pela redução de custo por escala de fabricação, mas claro que não na mesma velocidade que caiu na última década.
Custo Brasil
Quase todos os painéis solares comercializados no Brasil são fabricados na China, e para isto, soma-se ao custo de fabricação do produto o frete (navegação e terrestre - entre o porto até o distribuidor), seguro (internacional e nacional), desembargos aduaneiros e claro os impostos.
Estes custos adicionais acaba por aumentar significantemente o preço dos módulos. Felizmente, as placas solares têm algumas isenções de impostos, alíquotas diferentes em cada estado, segurando o preço de venda deste equipamento.
Vale a pena relembrar que o custo de compra de apenas única placa sai relativamente mais caro do que comprar um pallet (20-30 módulos) por watt. Alguns estados ainda oferecem incentivo fiscal, através de isenções tributarias, para a compra de kits fotovoltaicos por serem equipamentos para geração de energia limpa.
A compra dos equipamentos fotovoltaicos é sempre mais caro para o consumidor final, o qual compra pelo seu CPF (pessoa física), pois as grandes empresas distribuidoras vendem somente para pessoas jurídicas (CNPJ), ou seja vendem para empresas integradoras de energia solar.
Para tanto, a instalação fica a cargo de uma instaladora especializada em energia fotovoltaica como a SAKA Solar.
Um destaque em relação ao custo para o cliente final, é que mesmo com o preço por watt sendo um pouco mais caro do que para as empresas, o consumidor goza de linhas de créditos e financiamentos que facilitam a aquisição do sistema.
Garantia dos módulos fotovoltaicos
Este é mais um componente do custo do painel solar. Os grandes fabricantes de placas solares no mundo, que geralmente são Chinesas, são as que produzem e vendem maior quantidade, e não necessariamente as que produzem as células fotovoltaicas mais eficientes ou módulos com maior resistência mecânica.
Cada placa solar é fabricada para durar mais de 30 anos, e os produtores dão garantia de 10 anos contra defeitos de fabricação. E entre 25 e 30 anos contra eficiência de produção elétrica.
Por este motivo, o consumidor que pretende adquirir o sistema solar fotovoltaico, deve procurar empresas que trabalham com painéis de boa procedência e alta qualidade. Muito cuidado para não cair no “barato que sai caro”.
Hoje com o aumento na quantidade de integradores, ou seja, empresas que vendem e instalam sistemas fotovoltaicos ao consumidor final, deve-se fazer uma pesquisa fina sobre a empresa a ser contratada, pois o vendedor final é o que tem responsabilidade pelas garantias ao consumidor, portanto é importante que o usuário tenha confiança no serviço do contratado, caso necessite de um reparo ou troca de algum equipamento instalado.
Tão importante quanto analisar o preço, confira a qualidade dos equipamentos e desconfie dos painéis muito baratos. Isto vale também para os outros equipamentos do sistema como on inventores interativos.