Painéis fotovoltaicos

TAREFA 1: UTILIDADES - PAINEL FOTOVOLTAICO

Maria Inês Roque (2016228683) | Maria João Silva (2016238728)

O que é?

Um painel fotovoltaico (PV) é um sistema constituído por painéis solares, conversores de corrente contínua (DC) em corrente alternada (AC), geradores e um quadro elétrico, cujo objetivo é a conversão de luz solar em energia elétrica. [1]

O componente base das células solares, que constituem um sistema PV, é o silício, sendo este um material semicondutor. Um determinado número de células é ligado entre si, para formar um módulo, e vários módulos formam um painel. Os painéis podem ser ligados entre si em arranjos em série ou em paralelo, consoante a voltagem ou a corrente necessária, para responder às necessidades da instalação de um sistema PV. [2]

Constituição de um painel PV (adaptada). [2]

Figura 1- Constituição de um painel PV (adaptada). [2]

De notar que, embora os painéis PV sejam um painel solar, são diferentes do que conceptualmente no dia a dia se considera ser um painel solar (painel solar térmico). Os PV como referido acima têm como objetivo a produção de eletricidade, enquanto que um painel solar térmico tem como finalidade o aquecimento de um fluido; no entanto, ambos usam a energia solar para o seu fim. Além disto, o princípio de funcionamento destes dois sistemas também é distinto, enquanto que os painéis térmicos consistem no aquecimento direto do fluido pelo sol, os painéis PV baseiam-se no efeito fotovoltaico. [3]

Funcionamento

Como referido acima, os painéis PV são constituídos por silício, mais especificamente por dois tipos de silício que se encontram um sob o outro, como representado na Figura 2.

Representação da camada de silício num painel PV.[4]

Figura 2- Representação da camada de silício num painel PV. [4]

Assim, na camada superior (n-type), está presente uma estrutura constituída por silício e pequenas quantidades de fósforo (com mais eletrões que o silício), que confere a esta camada uma quantidade extra de eletrões livres, tornando o material mais condutor. Já na camada inferior (p-type), a estrutura presente é formada por silício e pequenas quantidades de boro (com menos eletrões que o silício), assim esta possui menos eletrões livres (mais lacunas), tornando o material menos condutor. [4]

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Como foi referido anteriormente, o funcionamento dos painéis PV baseia-se no efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico é a conversão direta de luz em eletricidade, ao nível atômico, pela adsorção de fotões e a libertação de elétrons em alguns materiais. [2] De notar que, este efeito apenas ocorre em alguns materiais, denominados semicondutores. [3]

Deste modo, num painel PV, como representado na Figura 3, quando os fotões entram no painel, são absorvidos por este e transferem a sua energia para o átomo de silício promovendo a libertação de elétrons do átomo. Este elétron desloca-se para a camada n-type e a lacuna formada para a camada p-type. [4] No entanto, uma dispersão única e arbitrária não é suficiente para gerar eletricidade e, como tal, é precisa uma exposição prolongada que promova um movimento contínuo. [1] Para formar corrente elétrica, deve-se unir as duas camadas por um fio, para que haja transferência de elétrons até às lacunas (o movimento de elétrons representa a corrente elétrica). [4] A corrente gerada por um painel PV é contínua e, assim sendo, não é compatível com os aparelhos eletrônicos usados, logo esta deve ser encaminhada para um inversor que a transforme em corrente alternada. [5]

Figura 3. Esquema do funcionamento de um painel PV.

Figura 3- Esquema do funcionamento de um painel PV. [6]

Instalação

Passo 1: Ocorre a instalação de um andaime, de modo a garantir uma plataforma de trabalho para os instaladores, o que pode ser montado uns dias antes da instalação propriamente dita.

Passo 2: É feito o planeamento da localização do painel, no local, através de marcas com giz. Seguidamente, são aparafusadas âncoras às vigas do telhado, estas vão ser colocadas em cima das telhas, na sua posição final, como se pode ver na Figura 4. O modo de fixar as mesmas dependerá do material das telhas.

Passo 3: Barras de alumínio são colocadas nas âncoras e aparafusadas no sítio, ficando paralelas entre si, formando uma moldura.

Passo 4: É colocado o painel na moldura anterior e verificado se estes estão direitos, confirmando a partir do telhado em si e também a partir do chão.

Passo 5: É feito o ajuste nos painéis, tendo em conta a voltagem, amperagem e potência do sistema; é também verificada a posição dos painéis e a sombra a que estes estarão sujeitos.

Passo 6: São feitos passos para cobrir os cabos por debaixo das telhas, com uma proteção, de modo a que não fiquem danificados com o passar do tempo.

Passo 7: Finaliza-se a instalação com o fornecimento de eletricidade utilizado, para converter a corrente DC em AC. [7]

Esquema ilustrativo dos componentes de um painel fotovoltaico. [8]

Figura 4- Esquema ilustrativo dos componentes de um painel fotovoltaico. [8]

A capacidade dos painéis fotovoltaicos instalados pode variar muito, tendo que obedecer às diferentes exigências requeridas, consoante a área geográfica, como se pode observar na Figura 5.

Capacidade dos painéis fotovoltaicos instalados por região, em GW. [9]

Figura 5- Capacidade dos painéis fotovoltaicos instalados por região, em GW. [9]

Capacidade dos painéis fotovoltaicos instalados por região, em GW

Região	2018	2030	2050
North America	437	1,728	2,950
Latin America and Caribbean	97	281	781
Europe	121	1,291	2,091
Middle East and Africa	131	673	1,131
Asia	1,860	4,837	6,737
Oceania	10	25	109

Vantagens e Desvantagens

Vantagens

São uma forma alternativa de gerar eletricidade em vez de usar os combustíveis fósseis.
Funcionam de forma autônoma, sem geração sonora, dado que não usam partes mecânicas em movimento.
Precisam de uma manutenção mínima; apenas necessitam de uma limpeza regular da superfície do painel, de modo a garantir a eficiência dos mesmos.

Desvantagens

Baixa eficiência, 12-20%, comparado com outras energias renováveis.
Produzem corrente direta, que tem que ser convertida em corrente alternada antes de ser usada pelo consumidor, aumentando o custo associado.
Apenas fornece eletricidade com luz solar direta e não consegue acumular grandes quantidades de energia para uso posterior. [10]

Tipos de PV

Os painéis fotovoltaicos mais usados são de dois tipos, monocristalinos e policristalinos de silício, embora existam outros tipos, como por exemplo, os thin-film e os string-ribbon.

Os painéis PV monocristalinos possuem cristais de maior tamanho e constituintes nobres, o que aumenta a eficiência energética, porém são mais dispendiosos. [5]

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Os painéis PV policristalinos têm cristais de menores dimensões e constituintes pouco nobres, como o cobre e o ferro e, embora tenham uma menor eficiência energética, têm um menor custo. [5]

Nas figuras abaixo, estão representados painéis fotovoltaicos do tipo monocristalino e policristalino, de modo a se detectarem as diferenças visuais entre estes dois tipos de painéis PV.

Painel fotovoltaico monocristalino. [11]

Figura 6a. Painel fotovoltaico monocristalino. [11]

Painel fotovoltaico policristalino. [11]

Figura 6b. Painel fotovoltaico policristalino. [11]

Eficiência

A eficiência traduz a capacidade do painel solar em converter a luz solar em eletricidade passível de ser usada. A eficiência é determinada pela produção de eletricidade pelas células solares, estando diretamente relacionada com a sua composição, configuração elétrica, reflexão da luz, nos componentes circundantes, entre outros fatores. A eficiência está relacionada com a habilidade do painel converter energia a baixo custo e com um fornecimento elevado. [12]

A eficiência de um painel solar é tanto maior quanto mais pequena é a célula individual usada para o painel.

Eficiência (%) = (Potência do painel solar) ÷ (10 × Área do painel solar) [13]

Eficiência (%)	Descrição
>18%	Os painéis mais eficientes
17-17.9%	Acima da média de eficiência
16-16.9%	Eficiência OK
15-15.9%	Abaixo da média de eficiência
<15%	Os painéis menos eficientes

Figura 7. Eficiência possível de obter para um painel solar e quantidade de painéis produzidos para cada eficiência. [13]

Inclinação

A inclinação escolhida depende da localização (norte ou sul), da latitude do local, da época do ano e de ter associado, ou não, um gerador. Queremos que a inclinação do painel solar seja perpendicular à radiação solar recebida, de forma a obter a maior quantidade de energia possível. [14]

Inclinações adequadas consoante a altura do ano. [14]

Figura 8. Inclinações adequadas consoante a altura do ano. [14]

# Referências

"Como funciona um painel fotovoltaico", EDP comercial, 23/01/2020, em https://www.edp.pt/content-hub/como-funciona-um-painel-fotovoltaico/, consultado a 19/02/2020
"How do Photovoltaics Work?", 06/08/2008, em https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2002/solarcells, consultado a 19/02/2020
"Differences Between Solar Photovoltaics and Solar Thermal", 01/04/2019, em https://www.greenmatch.co.uk/blog/2016/04/differences-between-solar-photovoltaics-and-solar-thermal, consultado a 19/02/2020
"how do solar cells work?", Scitoons, 30/04/2018, em https://www.youtube.com/watch?v=UJ8XW9AgUrw, consultado a 25/02/2020
"Painéis solares: tudo o que precisa saber antes de instalar", DecoProteste, 28/05/2018, em https://www.deco.proteste.pt/casa-energia/energias-renovaveis/guia-de-compras/paineis-solares-tudo-o-que-precisa-saber-antes-de-instalar, consultado a 19/02/2020
"Solar energy installation", 21/10/2013, em https://solarinstallationpanel.blogspot.com/2013/10/how-photovoltaic-solar-panels-work.html, consultado a 25/02/2020
"Solar PV installation guide", Evoenergy, em https://www.evoenergy.co.uk/technology/pv-installation-guide/, consultado a 23/02/2020
"A simple solar panels mounting system for corrugated iron rooftops or how to install 3000 modules in 3 days", em http://www.solarpanelsindustry.com/2012/05/simple-mounting-system.html, consultado a 23/02/2020
IRENA (2019), "Future of Solar Photovoltaic: Deployment, investment, technology, grid integration and socio-economic aspects (A Global Energy Transformation: paper)", International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi
"Pros and Cons of Photovoltaic (PV) panels-solar energy", Dino Green, 12/06/2012, em http://www.greenenergysavingtips.com/pros-and-cons-of-photovoltaic-pv-panels-solar-energy/, consultado a 23/02/2020
"Which Solar Panel Type is Best? Mono- vs. Polycrystalline vs. Thin Film", Energy informative, em https://energyinformative.org/best-solar-panel-monocrystalline-polycrystalline-thin-film/, consultado a 19/02/2020
"What are the most efficient solar panels on the market? Solar panel cell efficiency explained", em https://news.energysage.com/what-are-the-most-efficient-solar-panels-on-the-market/, consultado a 25/02/2020
"Tudo sobre a eficiência do painel solar", em https://www.portalsolar.com.br/tudo-sobre-a-eficiencia-do-painel-solar.html, consultado a 25/02/2020
"Localização, orientação e inclinação dos painéis solares", em https://pt.solar-energia.net/energia-solar-fotovoltaica/elementos/painel-fotovoltaico/localizacao-de-paineis-solares, consultado a 25/02/2020