Princípio de funcionamento de um painel solar: como é constituído e como funciona

A conversão eficiente dos raios solares gratuitos em energia que pode ser utilizada para a alimentação elétrica de residências e outros objetos é o sonho acalentado de muitos defensores da energia verde.

Mas o princípio de funcionamento da bateria solar e sua eficiência são tais que ainda não se pode falar em alta eficácia desses sistemas. Seria bom ter uma fonte adicional de eletricidade própria, não é? Tanto mais que hoje, também na Rússia, com a ajuda de painéis solares, uma quantidade considerável de residências particulares é abastecida com eletricidade “gratuita”. Você ainda não sabe por onde começar?

Abaixo, falaremos sobre a estrutura e os princípios de funcionamento do painel solar, você descobrirá de que depende a eficiência do sistema solar. E os vídeos colocados no artigo ajudarão a montar com as próprias mãos um painel solar a partir de fotocélulas.

Baterias solares: terminologia

No tópico da “energia solar”, há muitos detalhes e confusões. Muitas vezes, para iniciantes, é difícil entender todos os termos desconhecidos no início. Mas sem isso, envolver-se com a energia solar, adquirindo equipamentos para geração de corrente “solar”, não é sensato.

Por ignorância, pode-se não apenas escolher o painel inadequado, mas também simplesmente queimá-lo ao conectar ou extrair dele um volume muito insignificante de energia.

Primeiro, é necessário entender os tipos existentes de equipamentos para energia solar. Painéis solares e coletores solares são dois dispositivos fundamentalmente diferentes. Ambos convertem a energia dos raios solares.

Porém, no primeiro caso, o consumidor obtém energia elétrica na saída, e no segundo, energia térmica na forma de fluido de transferência de calor aquecido, ou seja, os painéis solares são usados para aquecimento doméstico.

O máximo rendimento de um painel solar só pode ser obtido sabendo como ele funciona, de quais componentes e peças é feito e como tudo isso é conectado corretamente.

O segundo detalhe é o conceito do termo 'painel solar'. Normalmente, a palavra 'bateria' se refere a um dispositivo que armazena energia elétrica. Ou vem à mente um radiador de aquecimento comum. No entanto, no caso dos painéis solares, a situação é completamente diferente. Eles não armazenam nada.

O painel solar gera corrente elétrica contínua. Para convertê-la em corrente alternada (usada em residências), um inversor deve estar presente no circuito.

Os painéis solares são projetados exclusivamente para gerar corrente elétrica. Esta, por sua vez, é armazenada para fornecer eletricidade à casa à noite, quando o sol se põe, nas baterias presentes adicionalmente no esquema de fornecimento de energia do local.

A bateria aqui é entendida no contexto de um conjunto de componentes do mesmo tipo, reunidos em algo único. Na prática, é apenas um painel de várias fotocélulas idênticas.

Estrutura interna da bateria solar

Gradualmente, os painéis solares se tornam mais baratos e mais eficientes. Atualmente, são usados para recarregar baterias em postes de iluminação pública, smartphones, veículos elétricos, casas particulares e satélites no espaço. Eles até começaram a construir usinas solares completas (SES) com grandes volumes de geração.

O painel solar consiste em várias células fotovoltaicas (conversores fotovoltaicos FEP), que convertem a energia dos fótons do sol em eletricidade.

Cada painel solar é estruturado como um bloco de um determinado número de módulos, que reúnem células fotovoltaicas semicondutoras conectadas em série. Para compreender os princípios de funcionamento desse painel, é necessário entender o funcionamento desse elo final no dispositivo do painel solar, criado com base em semicondutores.

Tipos de cristais de fotocélulas

Existe uma enorme variedade de células fotovoltaicas feitas de diferentes elementos químicos. No entanto, a maioria delas são desenvolvimentos em estágios iniciais. Atualmente, em escala industrial, são fabricados apenas painéis de células fotovoltaicas à base de silício.

Os semicondutores de silício são utilizados na fabricação de painéis solares devido ao seu baixo custo, mas não podem ostentar uma eficiência especialmente alta.

Uma célula fotovoltaica comum em um painel solar é uma placa fina de duas camadas de silício, cada uma com suas próprias propriedades físicas. É uma clássica junção semicondutora p-n com pares elétron-lacuna.

Quando fótons incidem sobre a célula fotovoltaica, entre essas camadas semicondutoras, devido à não homogeneidade do cristal, forma-se uma foto-força eletromotriz de barreira, resultando em uma diferença de potencial e corrente de elétrons.

As placas de silício das células fotovoltaicas diferenciam-se pela tecnologia de fabricação em:

1. Monocristalinas.
2. Policristalinas.

As primeiras têm maior eficiência, mas também seu custo de produção é maior do que as segundas. Externamente, uma variante da outra em um painel solar pode ser diferenciada pela forma.

As fotocélulas monocristalinas têm estrutura homogênea, são feitas em forma de quadrados com cantos cortados. Diferentemente, os elementos policristalinos têm forma estritamente quadrada.

Os policristais são obtidos pelo resfriamento gradual do silício fundido. Esse método é extremamente simples, portanto, essas fotocélulas são baratas.

Porém, o desempenho em termos de geração de energia a partir dos raios solares raramente ultrapassa 15%. Isso está relacionado à 'impureza' das pastilhas de silício obtidas e à sua estrutura interna. Aqui, quanto mais pura a camada p do silício, maior a eficiência das fotocélulas feitas com ele.

A pureza dos monocristais nesse aspecto é muito maior do que a dos equivalentes policristalinos. Eles são feitos não de silício fundido, mas de um cristal inteiro cultivado artificialmente. O coeficiente de conversão fotovoltaica dessas fotocélulas já atinge 20-22%.

Em um módulo comum, as fotocélulas individuais são montadas em uma moldura de alumínio e, para proteção, são cobertas com vidro resistente que não obstrui os raios solares.

A camada superior da pastilha fotocélula voltada para o sol é feita do mesmo silício, mas com adição de fósforo. Este último é a fonte de elétrons em excesso no sistema de junção p-n.

Um verdadeiro avanço no uso da energia solar foi o desenvolvimento de painéis flexíveis com silício fotovoltaico amorfo:

Princípio de funcionamento do painel solar

Quando os raios solares incidem sobre a fotocélula, pares elétron-lacuna fora de equilíbrio são gerados. Os elétrons e 'lacunas' em excesso são parcialmente transportados através da junção p-n de uma camada semicondutora para outra.

Como resultado, uma tensão aparece no circuito externo. Enquanto isso, no contato da camada p, forma-se o polo positivo da fonte de corrente, e na camada n, o polo negativo.

A diferença de potenial (tensão) entre os contatos da fotocélula surge devido à mudança no númeo de 'buracos' e elétrons dos difeentes lados da junção p-n como resultado da irradiação da camada n pelos raios solares.

As fotocélulas onectadas a uma carga exten na forma de uma bateria formam um cicut fechado com la. Como esultado, o painel sol faunciona omo uma spécie de oda, na qual os elétrons 'coem' como equilos. E a bateria vai gdualmente ganhando caga.

Os convesores fotovolticos padão de sílício são lementos de junção única. O fluxo de létons nles ocre apenas avés de uma junção p-n com uma zona de tanição limitada pela negia dos fótons.

O seja, cad um dessas fotcélulas é cpaz de gerar leticidade apens a partir de um especto estreit da radiação olar. Toda a negia setane é dperdiçada. Po isso, a eficência dos FEP é tão baixa.

Para amentar a eficêcia das bterias solares, os elentos mi-ondutoes de síício para las centemente passaram a ser feios com útpls junções (em cascata). Nos novs FEP já exstem váras junções. E cad un delas nest cascata é projetada para seu própri espectro de raios solares.

A eficência otl de nvrsão de fóns em cornete lética nesas fotcélulas menta. Mas o peço delas ambém é íficatvamte mior. Aq, ou a s mplicidade de fabrcação com baixo csto e bax eficência, ou um rendmento mior unt com um a custo.

A bteria solar pode funinar tanto no vão uanto no inverno (ela peisa de luz, são de clr) – quanto menas nuven e mi forte o sol brilr, ma corente létrica o painl solr gerá.

Durane o funcionmento, a fotocélula e toa a bateria equem gadulmente. Tda a nergia que não foi usda para gerar corente létrica se transfoma em calor. Frentemente, a tempratura na superfíce do painl olr sobe pa 50–55 °C. Mas qunto mais aita, menos eficentemente funina o emento fotovolico.

No fimal, um esmo modlo de bateria solar gera menos cornte no clr do que no fri. As fotoeentos motram a eficência máima em um dia laro de nvero. Dois fatres ntam em jogo – muio sol e refriamento natral.

No entato, se eve cair sob o painl, la ntinuará gerando eetricidad. Além disso, os flcos de eve nem mão tempo de ficar sobr ele, drreendo com o clr das fotocélulas aquecidas.

Eficiência das baterias do sistema solar

Uma única fotocélula, mesmo ao meio-dia com tempo limpo, produz muito pouca eletricidade, suficiente apenas para alimentar uma lanterna de LED.

Para aumentar a potência de saída, várias FEP são combinadas em esquema paralelo para aumentar a tensão contínua e em série para aumentar a corrente.

A eficiência dos painéis solares depende:

• da temperatura do ar e da própria bateria;
• da correta escolha da resistência de carga;
• do ângulo de incidência dos raios solares;
• da presença/ausência de revestimento antirreflexo;
• da potência do fluxo luminoso.

Quanto menor a temperatura externa, mais eficientes são os fotoelementos e a bateria solar como um todo. Aqui tudo é simples. No entanto, com o cálculo da carga, a situação é mais complexa. Ela deve ser selecionada com base na corrente fornecida pelo painel. Mas seu valor varia dependendo dos fatores climáticos.

Os painéis solares são fabricados com tensão de saída múltipla de 12 V – se for necessário fornecer 24 V à bateria, dois painéis devem ser conectados a ela em paralelo

Monitorar constantemente os parâmetros da bateria solar e ajustar manualmente seu funcionamento é problemático. Para isso, é melhor usar um controlador de gerenciamento, que ajusta automaticamente as configurações do painel solar para obter o máximo desempenho e modos de operação ideais.

O ângulo ideal de incidência dos raios solares na bateria solar é reto. No entanto, com um desvio de até 30 graus da perpendicular, a eficiência do painel cai apenas cerca de 5%. Mas, com o aumento adicional desse ângulo, uma parcela cada vez maior da radiação solar será refletida, reduzindo assim a eficiência dos FEP.

Se a bateria precisar fornecer o máximo de energia no verão, ela deve ser orientada perpendicularmente à posição média do Sol, que ocupa nos dias de equinócio da primavera e do outono.

Para a região de Moscou – isso é aproximadamente 40–45 graus em relação ao horizonte. Se o máximo for necessário no inverno, o painel deve ser colocado em uma posição mais vertical.

E mais um ponto – poeira e sujeira reduzem drasticamente o desempenho dos fotoelementos. Os fótons simplesmente não atravessam essa barreira 'suja', portanto não há o que converter em eletricidade. Os painéis devem ser limpos regularmente ou colocados de forma que a poeira seja lavada pela chuva naturalmente.

Algumas baterias solares possuem lentes embutidas para concentrar a radiação nos FEP. Em dias claros, isso aumenta a eficiência. No entanto, em dias muito nublados, essas lentes só causam danos.

Se um painel comum, nessa situação, continuar gerando corrente, embora em volumes menores, o modelo com lentes praticamente deixará de funcionar.

O Sol deve idealmente iluminar uniformemente a bateria de fotoelementos. Se uma de suas áreas fica sombreada, os FEP não iluminados se transformam em carga parasita. Nessa situação, eles não apenas não geram energia, como também a retiram dos elementos em funcionamento.

Os painéis devem ser instalados de modo que não haja árvores, edifícios ou outros obstáculos no caminho dos raios solares.

Esquema de alimentação elétrica da casa a partir do sol

O sistema de fornecimento de energia solar inclui:

1. Painéis solares.
2. Controlador.
3. Baterias.
4. Inversor (transformador).

O controlador neste esquema protege tanto os painéis solares quanto as baterias. Por um lado, evita o fluxo de correntes reversas durante a noite e em dias nublados, e por outro, protege as baterias contra sobrecarga/descarga excessiva.

As baterias para painéis solares devem ser escolhidas com a mesma idade e capacidade, caso contrário, a carga/descarga ocorrerá de forma irregular, o que levará a uma redução drástica em sua vida útil.

Para transformar a corrente contínua de 12, 24 ou 48 Volts em corrente alternada de 220 volts, é necessário um inversor. O uso de baterias automotivas neste esquema não é recomendado devido à sua incapacidade de suportar recargas frequentes. O melhor é investir e adquirir baterias especiais de gel AGM ou OPzS inundadas.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Os princípios de funcionamento e esquemas de conexão de painéis solares não são muito difíceis de entender. E com os vídeos que reunimos abaixo, será ainda mais fácil compreender todos os detalhes do funcionamento e instalação dos painéis solares.

De forma acessível e clara, como funciona uma célula solar fotovoltaica, em todos os detalhes:

Veja como os painéis solares são estruturados no seguinte vídeo:

Montagem de um painel solar a partir de células fotovoltaicas por conta própria:

Cada componente no sistema de fornecimento de energia solar de uma casa deve ser selecionado corretamente. Perdas inevitáveis de potência ocorrem nas baterias, transformadores e controlador. E elas devem ser reduzidas ao mínimo, caso contrário, a eficiência já bastante baixa dos painéis solares será reduzida a zero.

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