Célula Fotovoltaica ou Célula Solar
Definição
Uma célula fotovoltaica (PV) é um dispositivo semicondutor que converte luz em energia elétrica. A tensão induzida pela célula PV depende da intensidade da luz incidente. O termo "fotovoltaico" origina-se de sua capacidade de gerar tensão ("voltaico") através da luz ("foto").
Nos materiais semicondutores, os elétrons estão ligados por ligações covalentes. A radiação eletromagnética consiste em partículas minúsculas de energia chamadas fótons. Quando os fótons atingem o material semicondutor, os elétrons se energizam e começam a emitir.
Esses elétrons energizados são conhecidos como fotoelétrons, e o fenômeno de emissão de elétrons é chamado de efeito fotoelétrico. O funcionamento de uma célula fotovoltaica baseia-se no efeito fotoelétrico.
Construção da Célula Fotovoltaica
Materiais semicondutores como arsênio, índio, cádmio, silício, selênio e gálio são usados para fabricar células PV. O silício e o selênio são principalmente utilizados para construir as células.
Considere a estrutura de uma célula fotovoltaica de silício mostrada abaixo como exemplo:
Células PV individuais são feitas de materiais semicondutores monocristalinos ou policristalinos.
As células monocristalinas são cortadas de um único lingote de cristal, enquanto as células policristalinas são produzidas a partir de materiais com múltiplas estruturas cristalinas.
A tensão e a corrente de saída de uma única célula são bastante baixas, tipicamente em torno de 0,6V e 0,8A, respectivamente. Para aumentar a eficiência, as células são combinadas em várias configurações. Existem três métodos principais para conectar células PV:
Combinação Paralela de Células PV
Em uma configuração paralela, a tensão entre as células permanece inalterada, enquanto a corrente total duplica (ou aumenta proporcionalmente ao número de células). A curva característica das células PV conectadas em paralelo é mostrada abaixo.
Combinação Série-Paralela de Células PV
Em uma configuração série-paralela, tanto a tensão quanto a corrente aumentam proporcionalmente. Os painéis solares geralmente são construídos usando esta combinação de células para obter uma potência de saída mais alta.
Um módulo solar é criado conectando células solares individuais. A montagem de vários módulos solares é referida como painel solar.
Funcionamento da Célula PV
Quando a luz atinge um material semicondutor, pode passar através dele ou ser refletida. As células PV são feitas de semicondutores—materiais que não são nem perfeitos condutores nem isolantes. Esta propriedade as torna altamente eficientes na conversão de energia luminosa em energia elétrica.
Quando o semicondutor absorve luz, seus elétrons começam a emitir. Isso ocorre porque a luz consiste em pacotes minúsculos de energia chamados fótons. Quando os elétrons absorvem fótons, eles se energizam e começam a se mover dentro do material. Um campo elétrico interno força essas partículas a se moverem em uma direção, gerando uma corrente. Eletrodos metálicos no semicondutor permitem que a corrente flua para fora.
A figura abaixo ilustra uma célula PV de silício conectada a uma carga resistiva. A célula compreende camadas de semicondutores tipo P e N unidas para formar uma junção PN.
A junção é a interface entre os materiais p-tipo e n-tipo. Quando a luz incide na junção, os elétrons começam a se mover de uma região para outra.
Como as Células Solares são Instaladas em uma Usina Solar?
Dispositivos como rastreadores de ponto de potência máxima (MPPTs), inversores, controladores de carga e baterias são usados para converter a radiação solar em tensão elétrica.
Rastreador de Ponto de Potência Máxima (MPPT)
Um MPPT é um controlador digital especializado que rastreia a posição do sol. Como a eficiência da célula PV depende da intensidade da luz solar, que varia ao longo do dia devido à rotação da Terra, os MPPTs ajustam a orientação do painel para maximizar a absorção de luz e a potência de saída.
Controlador de Carga
Um controlador de carga regula a tensão do painel solar e evita a sobrecarga ou sobretensão da bateria, garantindo armazenamento de energia seguro e eficiente.
Inversor
Um inversor converte a corrente contínua (CC) dos painéis em corrente alternada (CA) para uso com aparelhos padrão, que geralmente requerem energia CA.
