Segundo o Dr. Glauco Diniz Duarte, as instalações de painéis solares cresceram explosivamente no mundo todo nos últimos dez anos.
A melhor parte é que os custos caíram drasticamente em 99% nas últimas quatro décadas. Portanto, não há melhor momento do que agora para aproveitar a energia solar limpa para sua casa ou empresa para reduzir a conta de eletricidade.
De acordo com dados de 2018 da International Renewable Energy Alliance (IRENA), os Estados Unidos são o terceiro maior usuário de energia solar do mundo, atrás da China e do Japão. O Reino Unido está em 7º lugar, seguido pela Austrália em 8º lugar.
Conforme a década chega ao fim, a previsão para energia solar nunca esteve tão clara. De fato, especialistas do setor preveem que os Estados Unidos dobrarão suas instalações solares de dois para quatro milhões até 2023.
Grande parte desse crescimento ocorrerá previsivelmente na ensolarada Califórnia, mas vários outros estados também estão liderando projetos solares. Observe no gráfico abaixo que três dos cinco principais estados líderes em instalações de painéis solares em 2019 estavam no Nordeste não muito ensolarado dos Estados Unidos.
Mesmo o Reino Unido, com menos sol do que muitas partes dos EUA, teve mais de um milhão de instalações de painéis solares em 2018, um aumento de quase 2% (em termos de energia gerada) em relação ao ano anterior.
Enquanto isso, a Austrália atingiu a marca de 2 milhões de instalações solares em 2018.
À luz dessa tendência de energia solar, onde quer que você olhe, acelerado pela urgência de parar de queimar combustíveis fósseis e mudar 100% para energia renovável o mais rápido possível, talvez leve você a pensar que é hora de pular a bordo.
Se for assim, seja bem-vindo à revolução da energia solar!
Uma das principais preocupações ao considerar inicialmente uma instalação de painel solar para sua casa ou empresa é escolher o melhor tipo de painel solar para você.
Neste artigo, você mergulhará profundo nas três opções principais de painéis solares disponíveis hoje. Esses são:
Monocristalino
Policristalino
Filme fino
3 opções principais para painéis solares: Monocristalino, policristalino e filme fino.
As tecnologias subjacentes a todos esses três tipos de painéis solares fizeram melhorias significativas ao longo do tempo para atender melhor às suas necessidades de energia.
Também examinaremos o que está por vir no mundo da energia solar. Isso inclui tecnologias como:
Solar bifacial
Célula fotovoltaica concentrada (CPV)
Telhas solares
Painéis solares transparentes
4 tecnologias inovadoras de painéis solares: solar bifacial, célula fotovoltaica concentrada, telhas solares e painéis solares transparentes.
Todas essas inovações em energia solar são de ponta e muitas, especialmente bifaciais e CPV, estão disponíveis comercialmente em algumas regiões e têm preços competitivos. Eles têm muitas promessas de impulsionar o segmento de energia verde do mix global de consumo de energia.
Por exemplo, os módulos solares bifaciais devem aumentar em dez vezes a capacidade em 2024 para 28.000 megawatts (MW)! Para referência, a média nacional atual de casas americanas alimentadas por apenas um MW de energia solar é de cerca de 190.
Neste artigo, consideraremos primeiro o que todos os painéis solares, tanto os de produção comercial quanto os futuros, têm em comum: células solares enredadas em um sistema de painéis solares.
O que é um sistema de painel solar?
Um sistema de painel solar é um conjunto interconectado (geralmente chamado de matriz) de células solares fotovoltaicas (CPV) que (1) capturam energia que emana do sol na forma de fótons; e (2) transforma essa energia solar diretamente em eletricidade. A quantidade de eletricidade produzida, medida em volts ou watts, varia de acordo com o sistema e o tipo de célula solar.
Cada painel solar individual (também chamado de módulo) na matriz consiste em um grupo de células solares empacotadas juntas em uma armação de metal. Normalmente, existem 60, 72 ou 96 células solares em um único painel solar.
Para converter a eletricidade de corrente contínua (CC) produzida na corrente alternada (CA) usada em sua casa, todo sistema de células solares contém um inversor. O inversor pode ser grande e centralizado.
Alternativamente, alguns módulos fotovoltaicos têm um inversor já embutido. Estes são chamados de módulos CA. A fiação é muito mais simples com os módulos CA.
De que são feitas as células solares?
Hoje, as células solares são feitas principalmente de silício, um elemento químico com propriedades semicondutoras. Na maioria dos tipos de células solares, o silício está na forma de cristal.
Como o cristal de silício 100% puro não transfere corrente elétrica, ele é “dopado” com quantidades muito pequenas de “impurezas” —geralmente fósforo e boro—que carregam prontamente uma corrente elétrica dentro da estrutura de cristal de silício.
O silício dopado com fósforo é chamado de tipo N (para “negativo” porque possui um excesso de elétrons).
O silício dopado com boro é chamado de tipo P (para “positivo” porque possui um déficit de elétrons).
Quando construída com uma seção do tipo N ao lado de um tipo P dessa maneira, a célula solar é chamada de junção única, o que significa que possui apenas uma junção p-n.
Quando o silício dopado absorve parte da energia do sol, ele libera alguns elétrons livres no processo. No campo elétrico de um sistema de painel solar, os elétrons são roteados para fluir em uma direção, estabelecendo uma corrente elétrica.
O campo elétrico da célula solar causa tensão. O produto matemático da corrente e da tensão é a energia—a energia usada para alimentar seus eletrodomésticos e aquecer ou resfriar sua casa.
Outros componentes de uma célula solar incluem um revestimento antirreflexo, já que o brilho natural do silício faria com que a luz do sol refletisse—o que não é o que deve acontecer se você deseja gerar energia elétrica.
Os cristais de silício das células solares são agrupados dentro de um campo elétrico e depois cobertos de vidro para proteger todos os componentes das intempéries.
O que é eficiência de célula solar?
Uma medida de quão bem os painéis solares absorvem a luz solar e a convertem em energia elétrica é chamada de eficiência. A luz viaja em diferentes comprimentos de onda, com níveis variáveis de energia, através das bandas do espectro eletromagnético, e nem tudo é absorvido por um painel solar. Medido em elétron-volts (eV), o típico gap de energia que pode ser absorvida e transformada por um painel solar em eletricidade é de cerca de 1,1 eV.
Os fótons que atingem o painel com mais energia do que isso (e existem muitos) representam uma perda de energia.
O uso de diferentes materiais em painéis solares com um intervalo de banda baixo aumentaria o número de fótons absorvidos e, consequentemente, a corrente. Mas isso também reduziria a voltagem do painel. Como a energia é igual à corrente multiplicada pela tensão, há uma troca entre a seleção de material e a força do campo elétrico no desenvolvimento do painel solar.
Pesquisas mostram que o gap de energia ideal de um material está entre 1 e 1,6 eV.
Além do material de um painel solar, resultando em alguma perda de energia, existe o problema da resistência interna de um material (chamado resistência em série).
O silício, como semicondutor, não conduz corrente elétrica nem metais. Sua resistência em série, de fato, é bastante alta. Isso se traduz em mais uma fonte de alta perda de energia.
Para corrigir isso, alguns painéis são cobertos com uma grade de metal para permitir que os elétrons se movam mais facilmente no campo elétrico, conclua o circuito e crie energia elétrica para sua casa.
Mas, a desvantagem dessa grade sobreposta é que ela bloqueia parte da superfície da célula fotovoltaica de absorver fótons! Uma cobertura mais fina da grade minimizaria essa perda, mas a própria espessura contribuiria com resistência significativa e resultaria em mais perda de energia.
Resumo: Existem várias razões pelas quais as células solares não são altamente eficientes. A pesquisa em andamento baseia-se em encontrar materiais mais eficientes, com custo reduzido e esteticamente agradáveis.
Curiosidade solar: A maior eficiência já registrada para um painel fotovoltaico até o momento (desenvolvida em 2006) foi de cerca de 41%!
Este foi um esforço financiado pelos EUA para obter energia na exploração espacial. Na época, o Departamento de Energia acreditava que o sistema seria escalonado comercialmente, atingindo um custo de painel solar de apenas US$ 3/watt, produzindo energia de US$ 0,8–0,10 por quilowatt/hora (kWh).
Incidentalmente, em 2019, o preço solar por watt (PPW) é de aproximadamente US$ 3 a US$ 4. Em algumas áreas, pode ser tão baixo quanto US$ 2,50!
O custo de um quilowatt-hora de energia solar derivado de um painel solar no telhado é de cerca de US$ 0,06 a US$ 0,08 centavos (contra US$ 0,09 a US$ 0,13 para energia derivada de carvão ou gás natural).
Mensagem final: Atualmente, essas taxas super baixas de energia solar renovável são extremamente competitivas com a energia de combustíveis fósseis.
Infelizmente, um grau de eficiência energética de 41% ainda não é comum para sistemas solares residenciais ou comerciais. Contudo, parte do trabalho realizado em laboratórios parece promissor.
Além de alcançar maior eficiência, o trabalho experimental em painéis solares também se concentra em custos mais baixos e uma aparência mais agradável.
3 principais tipos de painéis solares no mercado hoje
Dependendo das suas necessidades energéticas, orçamento, preferência cosmética e distribuição de espaço, é importante avaliar as vantagens e desvantagens de suas três opções em painéis solares para sua casa ou empresa.
Dois desses tipos de painéis solares consistem em células solares de junção única. Teoricamente, sua eficiência máxima é de cerca de 33%. A maior eficiência alcançada até o momento com células de junção única é de cerca de 22%.
O painel solar de filme fino pode ser de junção simples ou múltipla, dependendo do(s) material(is). As células solares de múltiplas junções são feitas de materiais diferentes, cada um dos quais captura melhor fótons de comprimentos de onda variados. Dessa maneira, mais luz solar pode ser convertida em energia elétrica.
Painéis solares monocristalinos
Construídos a partir de um único cristal de silício que foi cortado em bolachas, os painéis solares monocristalinos contêm linhas e colunas dessas bolachas. Como o cristal de silicone (também chamado de lingote) é cilíndrico, cortá-los em bolachas faz com que tenham bordas arredondadas.
Painéis solares policristalinos
Os painéis solares policristalinos (também chamados de multicristalinos) têm células solares contendo vários fragmentos cristalinos de silício. Os fragmentos podem ser as sobras da produção solar monocristalina. Eles são organizados de maneira irregular. Então eles são derretidos juntos e formados em blocos sólidos antes de serem cortados em bolachas. Cada bolacha é mais retangular que suas contrapartes monocristalinas.
Painéis solares de filme fino
Chamadas de células solares de segunda geração, os painéis solares de filme fino podem ser feitos de uma variedade de materiais, incluindo:
Silício amorfo (sem treliça de cristal)
Arseneto de gálio
Seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS)
Telureto de cádmio (CdTe)
Cada bolacha de uma célula de filme fino é super fina quando comparada aos outros tipos, tornando-a flexível. Eles podem ser aplicados por um adesivo diretamente a uma superfície (como seu teto, barco ou VR) ou configurados em estruturas duráveis (rack), como os outros tipos comuns de painéis solares.
4 Inovações em painéis solares
Os objetivos gerais de pesquisa e desenvolvimento de painéis solares são:
Aumentar a eficiência
Menor custo de materiais
Aumentar a longevidade dos sistemas solares
Realçar a aparência estética
Embora algumas das tecnologias solares a seguir estejam disponíveis comercialmente apenas em determinadas áreas no momento, veja aqui o que você pode esperar em qualquer lugar à medida que a revolução das energias renováveis avança.
Dica para a compra de painéis solares: Quando você começar a obter estimativas para o seu painel solar no telhado ou no quintal, sempre pergunte sobre a disponibilidade local dessas novas tecnologias. Você pode ter sorte!
Tecnologia solar bifacial
Os painéis solares de “duas faces” são capazes de gerar corrente elétrica através do contato com fótons com ambos os lados das células solares.
Quando a luz solar atinge o topo de um painel solar, ativando algumas células fotovoltaicas, ela continua e passa através do painel. Em seguida, parte disso é refletida na superfície abaixo do painel (como um telhado). Esses raios refletidos expõem as células solares inferiores a mais ativação de fótons.
Os bifaciais podem ser monocristalinos ou policristalinos.
Tecnologia fotovoltaica concentrada (CPV)
Uma das tecnologias de painel solar mais avançadas usa lentes ou espelhos curvos para direcionar a luz do sol para um ponto específico, concentrando-a em uma pequena célula solar de múltiplas junções.
Essencialmente, a CPV reduz a perda de energia pela difusão da luz solar em uma superfície grande. Como resultado, a eficiência é bastante aprimorada, ainda mais do que o que uma célula solar monocristalina oferecerá.
No momento, a CPV é cara devido a componentes adicionados, como rastreadores solares e mecanismos de refrigeração.
Tecnologia de telhas solares
Em 2016, Elon Musk, da Tesla, anunciou o conceito de um telhado solar equipado com telhas solares (também chamadas de placas solares ou ladrilhos solares). As telhas solares funcionam como painéis solares tradicionais. Elas podem ser construídos com material de filme fino ou silício monocristalino.
No momento, os painéis solares são um pouco menos eficientes do que as células solares monocristalinas convencionais.
No entanto, esse sistema de painel solar não possui rack de suporte no qual os painéis solares tradicionais são colocados e, portanto, é considerado mais atraente visualmente do que a configuração comum. As telhas solares são instaladas como telhas de asfalto convencionais e abrangem toda a superfície do telhado.
A Tesla estima que o teto solar custa cerca de US$ 22/m² enquanto outros calculam um preço de US$ 35/m². Para colocar isso em contexto hoje, para cobrir uma casa de tamanho médio com telhas solares, pode custar mais de US$ 45 mil ou mais.
Painéis solares transparentes
Descobertos pelos pesquisadores do MIT, os painéis solares transparentes capturam apenas os comprimentos de onda da luz que nossos olhos não podem ver (infravermelho próximo e ultravioleta) enquanto permitem a passagem da luz visível.
Portanto, tudo na teoria—de telefones celulares a laptops e janelas—pode ter um painel solar transparente em sua superfície, produzindo eletricidade, sem você saber disso!
Aqui está um diagrama esquemático de uma célula solar transparente—de baixo custo para inicialização—obtida da fonte do MIT vinculada nesta seção.
Atualmente, a eficiência de painéis solares transparentes é baixa, mas os pesquisadores veem 11% ou mais no futuro próximo. Observe, no entanto, que se essas células cobrirem todas as janelas de um enorme arranha-céu, por exemplo, mesmo uma eficiência de 5% poderá custear facilmente 25% do custo total das necessidades de energia do edifício.
Outra vantagem significativa dos painéis solares transparentes sobre os painéis solares convencionais é que eles não precisam de vastas extensões de terra ou água (como fazendas solares tradicionais) para operar.
As primeiras aplicações comerciais (para celulares) são esperadas em alguns anos.
Imagine quão transformador será o amplo uso de painéis solares transparentes para janelas (janelas solares) em locais urbanos! Atingir esse marco na inovação em energia solar definitivamente inclina o padrão global de consumo de energia em favor da energia renovável do sol.
Principais conclusões sobre os tipos de painéis solares
As instalações de painéis solares cresceram em popularidade e eficiência, enquanto diminuíam de preço devido à revolução da energia limpa e verde. Agora é o momento perfeito para investir em um sistema de painéis solares.
Os tipos mais comuns de painéis solares para uso doméstico são compostos por células solares monocristalinas, policristalinas ou de filme fino. Eles variam em eficiência e custo. Os painéis monocristalinos são os mais caros e mais eficientes. Os mais baratos, mas geralmente menos eficientes, são os painéis solares de filme fino.
As células solares policristalinas geralmente apresentam eficiências moderadas e custos razoáveis.
Existe um grande corpo de pesquisa e desenvolvimento ativo em novas tecnologias solares. Entre os mais promissores—já existentes no mercado em algumas áreas ou projetados para os próximos anos—estão a energia solar bifacial, CPV, telhas solares e painéis solares transparentes.
