Tipos de painéis solares: análise comparativa das estruturas e conselhos para escolher os painéis

A energia alternativa está em pleno desenvolvimento na Europa, demonstrando com resultados a sua promissora perspectiva. Novos tipos de painéis solares estão surgindo, e sua eficiência está aumentando.

Se você deseja garantir o funcionamento de um edifício industrial ou residencial por meio da energia solar, é necessário conhecer antecipadamente as diferenças dos equipamentos, entender quais painéis solares são adequados para as condições climáticas de uma determinada região.

Nós o ajudaremos a entender essa questão. No artigo, é analisado o princípio de funcionamento dos conversores fotovoltaicos, é apresentada uma visão geral dos diferentes tipos de painéis solares, com suas características, vantagens e desvantagens. Após conhecer o material, você poderá fazer a escolha correta para a instalação de um sistema solar eficiente.

Princípio de funcionamento dos painéis solares

A grande maioria dos painéis solares é, no sentido físico, um conversor fotovoltaico. O efeito de geração de eletricidade ocorre no local da junção p-n do semicondutor.

São exatamente as lâminas de silício que compõem a base do custo dos painéis solares, mas, ao utilizá-las como fonte de eletricidade 24 horas por dia, será necessário comprar adicionalmente baterias caras.

O painel é composto por duas lâminas de silício com propriedades diferentes. Sob a ação da luz, em uma delas surge uma deficiência de elétrons e na outra, um excesso. Cada lâmina possui fitas condutoras de cobre que são conectadas aos conversores de tensão.

Um painel solar industrial é composto por muitas células fotovoltaicas laminadas, presas entre si e fixadas em um substrato flexível ou rígido.

A eficiência do equipamento depende em grande parte da pureza do silício e da orientação de seus cristais. São justamente esses parâmetros que os engenheiros vêm tentando melhorar nas últimas décadas. O principal problema é o alto custo dos processos que fundamentam a purificação do silício e a orientação dos cristais em uma única direção em todo o painel.

Anualmente, as eficiências máximas de diferentes painéis solares aumentam, porque bilhões de dólares são investidos em pesquisas de novos materiais fotovoltaicos (+)

Os semicondutores dos conversores fotovoltaicos podem ser fabricados não apenas de silício, mas também de outros materiais – o princípio de funcionamento da bateria não se altera.

Tipos de conversores fotovoltaicos

Os painéis solares industriais são classificados por suas características construtivas e pelo tipo de camada fotovoltaica ativa.

Distinguem-se os seguintes tipos de painéis pelo tipo de dispositivo:

• painéis flexíveis;
• módulos rígidos.

Os painéis flexíveis de filme fino ocupam gradualmente um nicho cada vez maior no mercado devido à sua versatilidade de montagem, pois podem ser instalados na maioria das superfícies com diversas formas arquitetônicas.

As características reais dos painéis solares geralmente são inferiores às indicadas no manual. Portanto, antes de instalá-los em casa, é recomendável ver pessoalmente um projeto similar já realizado.

Quanto ao tipo de camada fotovoltaica ativa, os painéis solares se dividem nas seguintes variedades:

1. De silício: monocristalinos, policristalinos, amorfos.
2. De telureto de cádmio.
3. À base de seleneto de índio-cobre-gálio.
4. Poliméricos.
5. Orgânicos.
6. À base de arsenieto de gálio.
7. Combinados e multicamadas.

Nem todos os tipos de painéis solares são de interesse do consumidor em geral, apenas as duas primeiras subvariedades cristalinas.

Embora alguns outros tipos de painéis tenham eficiências mais altas, devido ao alto custo, eles não obtiveram ampla difusão.

Os elementos fotovoltaicos de silício são bastante sensíveis ao calor. A temperatura base para medir a geração de eletricidade é de 25°C. Quando ela aumenta em um grau, a eficiência dos painéis diminui em 0,45-0,5%.

A seguir, serão examinados em detalhes os painéis solares que apresentam maior interesse para o consumidor.

Características dos painéis à base de silício

O silício para painéis solares é fabricado a partir de pó de quartzo – cristais de quartzo moídos. Existem depósitos riquíssimos de matéria-prima na Sibéria Ocidental e nos Urais Centrais, portanto as perspectivas dessa área da energia solar são praticamente ilimitadas.

Atualmente, os painéis de silício cristalino e amorfo já ocupam mais de 80% do mercado. Portanto, vale a pena examiná-los mais detalhadamente.

Painéis de silício monocristalino

As modernas placas de silício monocristalino (mono-Si) têm uma cor azul escura uniforme em toda a superfície. Para sua produção, utiliza-se o silício mais puro. As células fotovoltaicas monocristalinas têm o preço mais alto entre todas as placas de silício, mas também oferecem a melhor eficiência.

Grandes painéis solares monocristalinos com mecanismos de giro se integram perfeitamente às paisagens desérticas. Lá, são garantidas as condições para a máxima produtividade.

O alto custo de produção deve-se à dificuldade de orientar todos os cristais de silício em uma única direção. Devido a essas propriedades físicas da camada ativa, a eficiência máxima é alcançada apenas quando os raios solares incidem perpendicularmente à superfície da placa.

As baterias monocristalinas requerem equipamentos adicionais que as giram automaticamente ao longo do dia, para que o plano dos painéis fique o mais perpendicular possível aos raios solares.

As camadas de silício com cristais orientados unilateralmente são cortadas de um bloco cilíndrico de metal, portanto os blocos fotovoltaicos prontos têm a forma de um quadrado com cantos arredondados.

As vantagens das baterias de silício monocristalino incluem:

1. Alta eficiência com valor de 17-25%.
2. Compactação – menor área de instalação do equipamento por unidade de potência, em comparação com os painéis de silício policristalino.
3. Durabilidade – eficiência suficiente na geração de eletricidade é garantida por até 25 anos.

São apenas duas desvantagens dessas baterias:

1. Alto custo e longo período de retorno.
2. Sensibilidade à sujeira. A poeira dispersa a luz, portanto a eficiência dos painéis solares cobertos por ela diminui drasticamente.

Devido à necessidade de luz solar direta, os painéis solares monocristalinos são instalados principalmente em áreas abertas ou em altitudes. Quanto mais próximo o local estiver do equador e quanto mais dias de sol tiver, mais preferível é a instalação desse tipo de elementos fotovoltaicos.

Painéis solares policristalinos

Os painéis de silício policristalino (multi-Si) têm uma coloração azul de intensidade irregular devido à orientação variada dos cristais. A pureza do silício utilizado em sua produção é um pouco inferior à dos análogos monocristalinos.

A diversidade de direções dos cristais proporciona alta eficiência em luz difusa – 12-18%. Ela é inferior à dos cristais unidirecionais, mas em condições de tempo nublado, esses painéis se mostram mais eficientes.

A heterogeneidade do material também leva à redução do custo de produção do silício. O metal purificado para painéis solares policristalinos é derramado em moldes sem grandes complicações.

Na produção, são utilizadas técnicas especiais para formar os cristais, porém sua orientação não é controlada. Após o resfriamento, o silício é cortado em camadas e processado conforme um algoritmo especial.

Os painéis policristalinos não exigem orientação constante em direção ao sol, por isso telhados de casas e edifícios industriais são ativamente utilizados para sua instalação.

Durante o dia, com pouca nebulosidade, as vantagens dos painéis solares de silício amorfo não serão perceptíveis; seus benefícios são revelados apenas sob nuvens densas ou na sombra (+).

Entre as vantagens dos painéis solares com cristais multidirecionais estão:

1. Alta eficiência em condições de luz difusa.
2. Possibilidade de instalação fixa em telhados de edifícios.
3. Menor custo em comparação com painéis monocristalinos.
4. Longa vida útil – a redução da eficiência após 20 anos de operação é de apenas 15-20%.

Os painéis policristalinos também apresentam desvantagens:

1. Eficiência reduzida com valor de 12-18%.
2. Volume relativo – é necessário mais espaço para instalação por unidade de potência em comparação com os análogos monocristalinos.

Os painéis solares policristalinos estão conquistando uma fatia cada vez maior do mercado entre outros painéis de silício. Isso é garantido pelo amplo potencial de redução do custo de sua produção. A eficiência desses painéis também aumenta a cada ano, aproximando-se rapidamente de 20% nos produtos de massa.

Painéis solares de silício amorfo

O mecanismo de produção de painéis solares de silício amorfo difere fundamentalmente da fabricação de elementos fotovoltaicos cristalinos. Aqui, não se utiliza o não-metal puro, mas seu hidreto, cujos vapores quentes são depositados sobre um substrato.

Como resultado dessa tecnologia, cristais clássicos não são formados e os custos de produção são drasticamente reduzidos.

As fotocélulas de silício amorfo depositado podem ser fixadas tanto em substrato polimérico flexível quanto em folha de vidro rígido.

Atualmente, já existem três gerações de painéis de silício amorfo, em cada uma das quais a eficiência aumenta significativamente. Se os primeiros módulos fotovoltaicos tinham eficiência de 4-5%, agora são vendidos em massa no mercado modelos de segunda geração com eficiência de 8-9%.

Os painéis amorfos mais recentes têm eficiência de até 12% e já estão começando a aparecer à venda, mas ainda são bastante caros.

Devido às características desta tecnologia de produção, é possível criar uma camada de silício tanto em substrato rígido quanto flexível. Por isso, os módulos de silício amorfo são amplamente utilizados em módulos solares flexíveis de película fina. Mas as opções com substrato elástico são muito mais caras.

A estrutura físico-química do silício amorfo permite absorver ao máximo os fótons de luz difusa fraca para gerar eletricidade. Portanto, esses painéis são adequados para uso em regiões do norte com grandes áreas livres.

A eficiência das baterias de silício amorfo não diminui mesmo em altas temperaturas, embora sejam inferiores neste aspecto aos painéis de arsenieto de gálio.

Com o mesmo custo do equipamento, os painéis solares de hidreto de silício apresentam maior produtividade do que seus equivalentes mono e policristalinos (+).

Resumindo, podemos citar as seguintes vantagens dos painéis solares amorfos:

1. Versatilidade – possibilidade de fabricar painéis flexíveis e finos, instalação de baterias em qualquer forma arquitetônica.
2. Alta eficiência em luz difusa.
3. Funcionamento estável em altas temperaturas.
4. Simplicidade e confiabilidade da construção. Esses painéis praticamente não quebram.
5. Manutenção da operacionalidade em condições adversas – menor queda de produtividade em superfícies empoeiradas do que os equivalentes cristalinos.

A vida útil desses elementos fotovoltaicos, a partir da segunda geração, é de 20 a 25 anos com queda de potência de 15 a 20%. As únicas desvantagens dos painéis de silício amorfo são a necessidade de áreas maiores para a instalação do equipamento com a potência necessária.

Visão geral de dispositivos sem silício

Alguns painéis solares fabricados com metais raros e caros têm eficiência superior a 30%. Eles são várias vezes mais caros que seus equivalentes de silício, mas ainda assim ocuparam um nicho comercial de alta tecnologia devido às suas características especiais.

Painéis solares de metais raros

Existem vários tipos de painéis solares de metais raros, e nem todos têm eficiência superior aos módulos de silício monocristalino.

No entanto, a capacidade de trabalhar em condições extremas permite que os fabricantes desses painéis solares produzam produtos competitivos e realizem mais pesquisas.

Painéis de telureto de cádmio são amplamente utilizados no revestimento de edifícios em países equatoriais e árabes, onde a superfície aquece até 70-80 graus durante o dia

As principais ligas usadas na fabricação de células fotovoltaicas são telureto de cádmio (CdTe), seleneto de índio-cobre-gálio (CIGS) e seleneto de índio-cobre (CIS).

O cádmio é um metal tóxico, e o índio, o gálio e o telúrio são bastante raros e caros, portanto a produção em massa de painéis solares baseados neles é até teoricamente impossível.

A eficiência desses painéis está entre 25-35%, embora em casos excepcionais possa chegar a 40%. Anteriormente, eles eram usados principalmente na indústria espacial, mas agora surgiu uma nova direção promissora.

Devido ao funcionamento estável das células fotovoltaicas de metais raros a temperaturas de 130-150°C, elas são usadas em usinas solares térmicas. Os raios solares de dezenas ou centenas de espelhos são concentrados em um pequeno painel, que simultaneamente gera eletricidade e transfere energia térmica para um trocador de calor de água.

Como resultado do aquecimento da água, forma-se vapor que faz a turbina girar e gerar eletricidade. Assim, a energia solar é convertida em energia elétrica simultaneamente por dois caminhos com máxima eficiência.

Análogos poliméricos e orgânicos

Os módulos fotovoltaicos baseados em compostos orgânicos e poliméricos começaram a ser desenvolvidos apenas na última década, mas os pesquisadores já alcançaram progressos significativos. O maior progresso é demonstrado pela empresa europeia Heliatek, que já equipou vários edifícios altos com painéis solares orgânicos.

A espessura de sua estrutura de filme em rolo do tipo HeliaFilm é de apenas 1 mm.

Na produção de painéis poliméricos, são utilizadas substâncias como fulerenos de carbono, ftalocianina de cobre, polifenileno e outras. A eficiência dessas células fotovoltaicas já atinge 14-15%, e o custo de produção é várias vezes menor que o dos painéis solares cristalinos.

A questão da vida útil de degradação da camada orgânica ativa é crítica. Até o momento, não é possível confirmar de forma confiável o nível de sua eficiência após vários anos de operação.

As vantagens dos painéis solares orgânicos são:

• possibilidade de descarte ecologicamente seguro;
• baixo custo de produção;
• construção flexível.

As desvantagens dessas células fotovoltaicas incluem a eficiência relativamente baixa e a falta de informações confiáveis sobre os períodos de operação estável dos painéis. É possível que em 5-10 anos todas as desvantagens dos painéis solares orgânicos desapareçam e eles se tornem concorrentes sérios para as placas de silício.

Qual painel solar escolher?

A escolha de painéis solares para casas de campo nas latitudes 45-60° não é difícil. Aqui, vale a pena considerar apenas duas opções: painéis de silício policristalino e monocristalino.

Em caso de falta de espaço, é melhor dar preferência a modelos mais eficientes com orientação unilateral dos cristais; quando a área é ilimitada, recomenda-se adquirir baterias policristalinas.

Não vale a pena se orientar pelas previsões de empresas analíticas sobre o desenvolvimento do mercado de painéis solares, pois os melhores modelos talvez ainda não tenham sido inventados.

É melhor escolher o fabricante específico, a potência necessária e o equipamento adicional com a participação de gerentes de empresas que vendem e instalam esse tipo de equipamento. Deve-se saber que a qualidade e o preço dos módulos fotovoltaicos dos maiores fabricantes diferem pouco.

Deve-se considerar que, ao encomendar um kit de equipamento 'chave na mão', o custo dos próprios painéis solares será de apenas 30-40% do valor total. Os prazos de retorno de tais projetos são de 5 a 10 anos e dependem do nível de consumo de energia e da possibilidade de vender o excedente de eletricidade para a rede da cidade.

Alguns profissionais preferem montar baterias solares por conta própria. Em nosso site, há artigos com descrição detalhada da tecnologia de fabricação desses painéis, sua conexão e configuração de sistemas de aquecimento solar.

Recomendamos que você confira:

1. Como fazer um painel solar com as próprias mãos: instruções para montagem independente
2. Sistemas solares de aquecimento: análise das tecnologias de instalação de aquecimento com base em sistemas solares
3. Esquema de conexão de painéis solares: ao controlador, à bateria e aos sistemas atendidos

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Os vídeos apresentados mostram o funcionamento de vários painéis solares em condições reais. Eles também ajudarão a entender as questões de escolha do equipamento auxiliar.

Regras para escolha de painéis solares e equipamentos auxiliares:

Tipos de painéis solares:

Teste de painéis monocristalinos e policristalinos:

Para a população e pequenas instalações industriais, ainda não existe uma alternativa real aos painéis de silício cristalino. Mas o ritmo de desenvolvimento de novos tipos de baterias solares permite esperar que em breve a energia solar se torne a principal fonte de eletricidade em muitas casas de campo.

A todos os interessados na questão da escolha e uso de baterias solares, convidamos a deixar comentários, fazer perguntas e participar das discussões. O formulário de contato está localizado no bloco inferior.