O módulo fotovoltaico – Fotus Energia Solar
A energia solar fotovoltaica é cada vez mais presente na matriz energética brasileira, por se tratar de uma fonte de energia renovável que apresenta soluções viáveis tanto para pequenas unidades consumidoras quanto para grandes centrais geradoras. Dentre todos os equipamentos necessários para montagem de um sistema de geração de energia solar, o mais icônico e conhecido é o módulo fotovoltaico.
Comumente chamado de placa ou painel, é o equipamento mais aparente nos sistemas de geração e o responsável por converter a radiação solar em energia elétrica. Dentre os materiais que compõem o módulo fotovoltaico, o mais importante para o entendimento do seu funcionamento é a célula fotovoltaica.
As células fotovoltaicas são compostas por materiais com propriedades bem especificas. Quando expostos a luz ou a radiação eletromagnética do sol, sofrem o que chamamos de efeito fotovoltaico: convertem a luz incidente em eletricidade.
Os principais materiais utilizados na composição de células fotovoltaicas são os semicondutores. Atualmente, o semicondutor mais comum nos processos fabris é o silício, representando aproximadamente 95% de todas as células fabricadas em todo o mundo. Apesar de ser um material abundante e barato no Brasil, a purificação do silício é feita fora do país, assim como a fabricação das células fotovoltaicas.
Os semicondutores são materiais que não podem ser classificados nem como condutores e nem como isolantes, utilizamos essa definição porque esses materiais podem ter suas propriedades elétricas alteradas por processos de dopagem, ou seja, adição de outros materiais.
As células fotovoltaicas são compostas basicamente pela junção de duas camadas de materiais semicondutores que sofreram recombinação: (1) camada N (negativa), que possui excesso de elétrons; (2) camada P (positiva), que apresenta uma falta de elétrons. Quando colocadas em contato, forma-se um campo elétrico que funciona como uma barreira entre elas, impedindo a fluxo de elétrons, ou seja, não existe corrente elétrica, conforme pode ser visto na figura 1.
Figura 1: Composição básica célula fotovoltaica
A partir do momento que os raios solares penetram na célula fotovoltaica, os elétrons adquirem energia suficiente para vencer a barreira de potencial, formando assim um fluxo ordenado de elétrons. Para coletar a corrente elétrica existem eletrodos metálicos bem finos, conhecidos como fingers, que são os responsáveis por coletar e levar o fluxo de elétrons para as busbars, conforme pode ser visto na figura 2.
Figura 2: Célula fotovoltaica sob incidência de luz
As busbars são as linhas metálicas que conectam as células fotovoltaicas e permitem um fluxo ordenado de elétrons entre elas. Quanto mais busbars o módulo fotovoltaico possuir, menor será a perda por efeito joule na condução de corrente. Na figura 3 temos uma célula fotovoltaica com 5 busbars.
Figura 3: Busbars e fingers de uma célula fotovoltaica
Atualmente, para a fabricação de células fotovoltaicas existem duas tecnologias muito conhecidas: o processo de obtenção a partir de lâminas de silício policristalino e de silício monocristalino.
O processo de fabricação de células de silício monocristalino forma uma estrutura cristalina única e homogênea, ou seja, trata-se de um processo de obtenção de um cristal ultrapuro, visto à direita da figura 4. Apesar de ser um processo caro, as células monocristalinas conferem uma eficiência maior a célula, tornando viável a fabricação comercial em larga escala desse material.
No processo de fabricação de células de silício policristalino é utilizado um aglomerado de pequenos cristais, formando uma estrutura heterogênea com vários cristais de tamanhos diferentes, visto à esquerda da figura 4. Apesar de possuírem eficiência menor em relação as células monocristalinas, o processo de fabricação das células policristalinas é muito mais barato, o que torna as células mais viáveis comercialmente.
Figura 4: Célula de silício policristalino (esquerda) x célula de silício monocristalino (direita)
As células fotovoltaicas não conseguem gerar uma quantidade de energia suficiente para abastecer cargas comuns no dia a dia, por essa razão é necessário conecta-las em série e paralelo para obtermos maiores valores de tensão e corrente, respectivamente. Atualmente os módulos fotovoltaicos possuem 60, 72 ou 144 células, dependendo do tamanho e da capacidade de geração de cada uma delas, que são encapsuladas entre vários materiais.
As células fotovoltaicas são quebradiças e podem ser partidas facilmente. Por essa razão, os conjuntos de células são protegidos por um processo de encapsulamento. Esse processo leva várias camadas, conforme pode ser visto na figura 5.
Figura 5: Encapsulamento de células fotovoltaicas (fonte: https://blog.bluesol.com.br/energia-solar-fotovoltaica-guia-supremo/)
A primeira camada é aplicada tanto na parte superior quanto na parte inferior das células. Uma fina película de EVA que é responsável por fazer o isolamento elétrico entre as células e as partes metálicas do módulo.
Na parte superior, sobre a película de EVA, é inserida uma camada de um vidro especial, que confere ao conjunto maior resistência mecânica. A espessura do vidro varia de 2 a 4mm e é projetado pra deixar passar a maior quantidade possível de raios solares.
Na parte inferior, sob a película de EVA, um fundo protetor é adicionado. Conhecido popularmente como backsheet, trata-se de uma camada de polímeros como tedlar ou PVC e algumas vezes vidro, que funciona como isolante térmico entre as células fotovoltaicas e a superfície em que o módulo será apoiado.
Em seguida, é adicionada uma moldura de alumínio anodizado, que além de oferecer rigidez e proteção contra torção, é resistente a intempéries.
Por fim, depois de emoldurado, o módulo recebe no backsheet uma caixa de conexão comumente chamada de caixa de junção.
A caixa de junção (junction box)
A caixa de junção, ou junction box, fica localizada na parte traseira do módulo e é o onde a conexão elétrica das células fotovoltaicas é feita. Os dois cabos, tanto positivo e negativo, já possuem um conector especial que é muito comum em equipamentos fotovoltaicos, os chamados conectores MC4, mostrados na figura 6. Os conectores são utilizados para interconectar vários módulos para formar as séries que serão conectadas no inversor solar.
Figura 6: Caixa de junção de um módulo fotovoltaico.
Quando os módulos fotovoltaicos sofrem sombreamentos parciais de forma constante, existe o risco de aparecimento de pontos quentes, os hot spots. Esse fenômeno faz com que os módulos percam eficiência ao longo do tempo, além de causar degradação das células e consequentemente a perda da isolação do módulo.
Com o intuito de diminuir esse problema, os módulos fotovoltaicos possuem componentes chamados de diodos de bypass. Trata-se de um diodo responsável por desviar o fluxo de corrente da série sombreada e permitir que as séries não sombreadas continuem gerando, conforme visto na figura 7.