Glauco Duarte Diniz – qual melhor placa solar fotovoltaica

Segundo o Dr. Glauco Diniz Duarte, o painel solar fotovoltaico (mais corretamente denominado de módulo fotovoltaico) é o nosso gerador de energia solar. É ele que é responsável por transformar a energia da luz do sol em energia elétrica. Portanto, para quem quer atuar no setor, é de fundamental importância compreender a fundo o funcionamento dos painéis solares.

Logo, é com intuito de ensinar a você sobre essa peça fundamental dos sistemas fotovoltaicos, que eu escrevi este artigo detalhado sobre o painel solar fotovoltaico. Então, sem mais delongas, vamos ao que interessa!

Painel Solar Fotovoltaico: O gerador de energia solar – Composição

Antes de qualquer coisa, precisamos saber quais são os componentes do painel solar fotovoltaico. O principal componente desse gerador de energia solar é a célula fotovoltaica (menor parte geradora de energia no módulo fotovoltaico).

Todo painel é formado por um conjunto de células fotovoltaicas, sendo que a quantidade de células por painel varia de modelo para modelo (os modelos mais comuns possuem 30, 60, 72, 120 ou 144 células).

Essas células normalmente encontram-se associadas em série, porém alguns modelos mais novos de painéis possuem células associadas em série e em paralelo. A figura abaixo mostra um painel solar fotovoltaico com suas células associadas em série.

Na associação série de células fotovoltaicas, soma=se a tensão (voltagem) de cada célula que compõe o painel. Dessa forma, a tensão total que painel é capaz de gerar é igual a soma da tensão de cada célula fotovoltaica. Portanto, um painel de 60 células, cada uma gerando cerca de 0,5 V de tensão, irá ter uma tensão de 30 V no total (60 vezes 0,5).

Outro componente importante do painel solar fotovoltaico é o diodo de bypass ou diodo de passagem. A célula fotovoltaica opera de tal forma quando há luz incidindo sobre ela, ela se comporta como uma fonte de tensão (um gerador de energia solar).

Porém, quando não há luz incidindo sobre ela, ela se comporta como uma resistência elétrica, ou seja, ela consome energia ao invés de gerar.

Isso é um problema, pois quando uma célula ou um conjunto de células ficam sombreadas no painel, elas começarão a “puxar energia” das células vizinhas. Isso pode fazer com que essas células que estão roubando energia superaqueçam, podendo danificar o painel, ou até mesmo pegar fogo no painel. Esse fenômeno é chamado de “efeito hot spot”. A figura a seguir mostra a consequência do efeito hot spot.

Dessa forma, pára prevenir que esse superaquecimento de células ocorra, são colocados diodos de bypass nos painéis fotovoltaicos. Assim, quando uma célula ou um conjunto de células ficaram sombreados, o diodo de bypass entrará em ação e fará com que as células sombreadas sejam ignoradas.

Ou seja, a corrente elétrica que circula no nosso gerador de energia solar, não passará pelas células sombreadas. Isso ocorre da forma que está representada na figura a seguir.

Dessa maneira, quando uma célula ou um conjunto de células forem sombreadas, o diodo apresentará o caminho de menor resistência, logo a corrente passará por ele e não pelas células sombreadas.

Nota-se, entretanto, que apesar de apenas uma célula ter sido sombreada pela folha no desenho acima, um terço de todas as células do painel foram ignoradas. Isso é porque o modelo acima possui 3 diodos de bypass. Quanto mais diodos o painel possui, menor a porção de células fotovoltaicas que serão ignoradas devido ao sombreamento.

Essa quantidade de diodos de bypass é sempre indicada nos manuais técnicos (datasheets) dos painéis fotovoltaicos.

Quanto ao restante dos componentes dos painéis, sobraram os componentes cuja a função é proteger as células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas devem ficar eletricamente isoladas dentro do nosso gerador de energia solar (para não tomarmos choque ao manusear o painel) e devem ficar mecanicamente protegidas (não devem ser danificadas com impacto).

Para isolar as células eletricamente, elas são encapsuladas em EVA, tanto a face superior quanto a face inferior das células. Para proteger as células contra impacto (tal como chuva de granizo), coloca-se um vidro especial anti-impacto em cima da face superior das células.

Para proteger as células contra torção e dar rigidez ao módulo fotovoltaico, é colocada uma moldura de alumínio. Para dar acabamento à parte inferior do painel, coloca-se um backsheet plástico na traseira do painel. Finalmente, cola-se uma caixa de junção no painel, que abriga os diodos de bypass e de onde saem os cabos com os terminais positivo e negativo.

Basicamente, são esses componentes que fazem parte do nosso gerador de energia solar, independente de modelo ou marca do módulo fotovoltaico.

Painel Solar Fotovoltaico: O gerador de energia solar – STC

Os valores de tensão, corrente e potência do painel solar fotovoltaico são diretamente influenciados pela quantidade de radiação de luz solar e pela temperatura do local onde o painel se encontra.

Porém, para se comparar diferentes modelos e marcas de painéis, nós precisamos de uma padronização desses valores de tensão, corrente e potência. Ou seja, esses valores devem ser medidos e disponibilizados pelos fabricantes, com os painéis submetidos sempre a mesmas condições.

Essas condições são as “Condições Padrões de Teste”, ou do inglês “Standard Test Conditions – STC”. O STC dita que os módulos fotovoltaicos devem ser testados com uma irradiância de 1000 W/m² (potência da luz) e uma temperatura das células fotovoltaicas de 25°C.

Assim, todas as informações que você observar nos manuais técnicos dos módulos fotovoltaicos (valores de tensão, corrente e potência), foram determinados para os painéis sob as condições do STC. Dessa maneira, conseguimos comparar painéis de diferentes modelos e marcas.

Logicamente, quando esses painéis estiverem operando em cima do telhado, os valores de corrente, tensão e potência que eles irão fornecer serão diferentes dos valores que observamos nos manuais técnicos.

Os valores fornecidos nos manuais técnicos são valores obtidos em condições ideais de laboratório. Portanto, na realidade, o painel solar fotovoltaico irá gerar menos energia do que o que está especificado no manual técnico.

É por isso que quando estamos nos referindo à potência do painel nas condições ideais do STC, nós incluímos a terminologia “pico”, simbolizada por um “p”. Dessa forma, quando falamos de um painel de 300 Wp estamos falando de um painel que gera 300 W de potência nas condições ideais do STC. Na realidade, esse painel irá gerar menos energia do que isso.

A mesma lógica se aplica para o sistema completo. Quando falamos de um sistema de 2 kWp (2000 Wp), estamos falando de um sistema que idealmente geraria 2000 W de potência. Porém, com certeza esse sistema gerará menos potência do que isso. O quanto menos, depende das condições da instalação.

Painel Solar Fotovoltaico: O gerador de energia solar – Comportamento em operação

Tal como eu já mencionei na seção anterior, o nosso gerador de energia solar é sensível à quantidade de radiação solar e à temperatura. Ou seja, são essas duas variáveis que ditarão o quanto de tensão, corrente e potência o painel irá gerar.

Veremos como essas duas variáveis mandam no comportamento de operação do nosso gerador de energia solar.

Curva de potência do painel solar fotovoltaico

Logo, o gráfico ao lado nos mostra a curva de potência do nosso gerador de energia solar, já que a potência nada mais é do que o produto da corrente pela tensão (P = i x V). 

Dessa forma, o valor de potência corresponde à área do gráfico para um ponto qualquer da curva.

O ponto da curva cuja a potência gerada é a maior possível está indicado como Pmax. Esse ponto sempre fica localizado no “joelho” do gráfico de tensão por corrente. É o ponto ótimo de operação do painel solar fotovoltaico, no qual ele entrega a maior quantidade de energia possível.

A curva, como está representada acima, é dada para valores fixos de irradiação solar e de temperatura. Ou seja, a curva pode mudar de acordo com a quantidade de luz que está chegando no painel e com a temperatura de operação das células fotovoltaicas.

Veremos como esses dois fatores influenciam a curva de potência do nosso gerador de energia solar.

Corrente e irradiância solar

A corrente que um painel solar fotovoltaico gera é diretamente proporcional à quantidade de luz solar que está incidindo no painel (irradiância, dada em W/m²). Desse modo, quanto maior a quantidade de luz, maior a corrente que o painel irá gerar.

Já a tensão do painel é muito pouco afetada pela quantidade de luz que incide no nosso gerador de energia solar. Um mínimo de luz incidindo no painel já é capaz de gerar uma tensão alta (porém uma corrente baixa).

Como a potência do painel equivale ao produto da corrente pela tensão, a potência também é diretamente proporcional à quantidade de luz que incide no nosso gerador de energia solar.

O gráfico acima representa como a curva de potência do módulo fotovoltaico varia de acordo com a irradiância solar. Confirma-se, portanto, que a corrente é de fato extremamente sensível à quantidade de luz.

Tensão e temperatura das células fotovoltaicas

A tensão que um painel solar fotovoltaico gera é inversamente proporcional à temperatura das células fotovoltaicas. Dessa maneira, quanto mais quentes estão as células fotovoltaicas, menor é a tensão gerada pelo painel.

Já a corrente do nosso gerador de energia solar é pouco afetada pela temperatura das células fotovoltaicas. Porém, ela é mais afetada do que a quantidade de luz afeta a tensão e ela é diretamente proporcional à temperatura, ou seja, o inverso da tensão.

Como a potência do painel equivale ao produto da corrente pela tensão, a potência também é inversamente proporcional à quantidade de luz que incide no nosso gerador de energia solar

O gráfico acima representa como a curva de potência do painel solar fotovoltaico varia de acordo com a temperatura das células fotovoltaicas. Confirma-se, portanto, que a tensão é de fato muito influenciada pela temperatura de operação das células fotovoltaicas.

Fica evidente que a situação ideal de operação do painel solar fotovoltaico é muito sol, porém com uma baixa temperatura ambiente. O que é contraditório, pois normalmente junto com o sol, vem o calor.

Entretanto, a influência positiva da quantidade de luz solar é muito mais forte do que a influência negativa do calor, logo sempre deve-se buscar a maior quantidade de luz possível incidindo sobre o nosso gerador de energia solar.

Existem 3 fatores que influenciam na temperatura das células fotovoltaicas no painel: a temperatura ambiente, a ventilação do painel e o próprio efeito fotovoltaico.

Assim, quanto maior a temperatura ambiente do local onde a célula se encontra, maior a temperatura da célula. Quanto mais ventilado o painel está menor a temperatura da célula. E quanto mais luz incide na célula, maior a temperatura da célula (o próprio efeito fotovoltaico produz calor). As equações abaixo mostram como se calcula a temperatura das células fotovoltaicas para uma dada situação:

Dessa forma, as células fotovoltaicas sempre estarão com uma temperatura muito mais elevada do que a temperatura ambiente quando elas estiverem em operação (Δt). Foram tabelados valores médios de Δt para diferentes casos de fixação dos módulos fotovoltaicos. A tabela abaixo nos mostra esses valores:

Assim, nota-se que quanto mais ventilação o painel solar fotovoltaico tem na sua parte traseira (quanto mais distante do telhado/solo o painel fica), menor é a temperatura das células fotovoltaicas.

É possível saber exatamente quanto a temperatura está impactando a tensão, a corrente e a potência dos módulos fotovoltaicos. Conseguimos determinar isso a partir dos coeficientes de temperatura dos módulos fotovoltaicos. A figura abaixo nos mostra valores de coeficientes de temperatura de um modelo de painel solar fotovoltaico qualquer:

Coeficientes de temperatura

O coeficiente de temperatura “Pmáx” nos mostra como a potência do nosso gerador de energia solar varia para cada grau Celsius (das células fotovoltaicas) acima ou abaixo da temperatura padrão de teste do STC (25°C). O valor negativo indica que o módulo perderá 0,41% de potência gerada para cada grau Celsius acima de 25°C. Se a temperatura das células estiverem abaixo de 25°C, o painel ganhará potência elétrica.

O mesmo ocorre para a tensão (Voc). O nosso gerador de energia solar perde 0,31% de tensão a cada grau Celsius acima de 25°C e ganha 0,31% de tensão a cada graus Célsius abaixo de 25°C.

Já a corrente, é o inverso, como pode se observar no valor positivo do coeficiente para a corrente (Isc). Quando as células esquentam, a corrente aumente e quando as células resfriam, a corrente diminui.

Porém, é possível observar que a influência da temperatura na corrente é quase 10 vezes menor do que a influência da temperatura na tensão ou na potência (coeficiente 10 vezes menor).

Por isso que é sempre interessante manter o painel solar fotovoltaico sempre o mais resfriado possível, já que ganharemos eficiência no sistema fotovoltaico dessa maneira.

Painel Solar Fotovoltaico: O gerador de energia solar – Conexão de painéis

Os sistemas fotovoltaicos são compostos um conjunto de painéis. Esses painéis devem ficar conectados uns aos outros, de maneira a somar a potência que eles irão entregar. Essa conexão pode ser feita em série (muito utilizada tanto em sistemas on-grid quanto em sistemas off-grid) ou pode ser feita em paralelo (pouco utilizada em sistemas on-grid de baixa potência e muito utilizada em sistemas off-grid).

Utiliza-se um conetor especial e específico em sistemas de energia solar fotovoltaica, denominados de conectores MC4. Esses conectores são responsáveis por isolar os cabos eletricamente até mesmo da água (afinal o painel solar fotovoltaico ficará na chuva) e resistir ao tempo.

A figura abaixo nos mostra os dois tipos de conectores MC4 que existem atualmente no mercado.

Como pode-se observar, existe o conector MC4 comum, os quais vêm de fábrica já fixos nos terminais positivo e negativo do nosso gerador de energia solar.

O conector macho sempre vem fixo no terminal positivo e o conector fêmea sempre vem fixo no terminal negativo. Assim, para se fazer uma ligação série entre painéis, basta ligar o conector macho de um painel ao conector fêmea de outro painel.

Existe, também, o conector MC4 multibranch. Diferentemente do conector MC4 comum, esse tipo de conector não vem de fábrica junto com o painel solar fotovoltaico.

O MC4 multibranch é utilizado para fazer ligações em paralelo entre módulos fotovoltaicos. É uma das maneiras de se realizar conexão em paralelo entre conjuntos de painéis (a outra sendo realizar o paralelo em um barramento junto a caixa de proteção CC do sistema).

Dessa forma, o conector multibranch conecta um par de conectores machos (positivo), saindo um único conector macho do conjunto, e um par de conectores fêmea (negativo), saindo um único conector fêmea do conjunto (tal como a ligação paralela deve ser feita).

Como eu já mencionei, esse tipo de ligação é pouco usual em sistemas on-grid de baixa potência. Porém em sistemas on-grid de maior porte e sistemas off-grid, a conexão em paralelo é bastante utilizada.

Painel Solar Fotovoltaico: O gerador de energia solar – Aterramento

Por questões de segurança do próprio equipamento, todo painel solar fotovoltaico deve ficar aterrado. As estruturas de fixação que se utiliza em sistemas fotovoltaicos sempre são metálicas, logo elas conduzem eletricidade.

Portanto, como os módulos fotovoltaicos ficam com a sua moldura metálica de alumínio diretamente encostada na estrutura de fixação, basta aterrar um único ponto de todo esse conjunto (módulos mais estrutura de fixação) que os painéis já estarão aterrados, correto? Não!

Ao se fabricar os módulos fotovoltaicos, os fabricantes devem garantir que os módulos conseguirão resistir a qualquer tipo de clima: desde desérticos até litorais. E se a moldura de alumínio do nosso gerador de energia solar não for tratada, ela será corroída pela maresia em regiões litorâneas.

Portanto, os fabricantes passam uma camada protetora contra a maresia na moldura de alumínio dos painéis. Contudo, essa camada protetora interrompe a condutividade do alumínio.

Isso faz necessário que se aterre painel por painel no sistema fotovoltaico, furando-se essa camada protetora do alumínio (ou utilizando-se os furos já prontos que os fabricantes colocam na moldura do painel solar fotovoltaico).

Exceto quando utiliza-se os chamados clipes de aterramento. Alguns fabricantes de estruturas de fixação fornecem esses clipes juntamente com a estrutura. Esses clipes possuem pequenas protuberâncias que rompem a camada isolante da moldura do nosso gerador de energia solar.

Elas são colocadas juntamente com as presilhas intermediárias da estrutura de fixação, de modo que quando se dá o aperto na presilha para prender o painel ao perfil metálico, as protuberâncias do clipe exercem pressão sobre a moldura do painel e rompem a camada isolante.

Isso garante que todo conjunto (módulos mais estrutura de fixação) ficará eletricamente conectado, de modo que basta aterrar um único ponto de todo o conjunto (um único painel ou a própria estrutura de fixação) que todos os painéis ficarão aterrados.

Painel Solar Fotovoltaico: O gerador de energia solar – Comercial

Vimos extensivamente a parte técnica do nosso gerador de energia solar, agora falaremos um pouco de alguns quesitos comerciais do painel solar fotovoltaico: que tipos de painéis são comercializados (tamanho e potência de modelos mais comuns) e qual o preço desses equipamentos atualmente.

Em sistemas de geração distribuída (sistemas on-grid), existem dois tamanhos padrões de módulos fotovoltaicos que são comercialmente utilizados atualmente no Brasil: 2,00 m por 1,00 m e 1,65 m por 1,00 m (alguns centímetros variam de modelo para modelo, porém as dimensões sempre permanecem muito próximas disso).

Atualmente, os modelos de maior porte (2,00 m por 1,00 m) possuem potências mais elevadas: de 300 W a 360 W. Os modelos de menor porte (1,65 m por 1,00 m) possuem potências mais baixas: de 360 W a 295 W. O preço de cada modelo de painel normalmente é proporcional à sua potência (e claro que a marca do painel também manda no preço).

Porém muitas vezes, devido a questões de estoque, pode-se encontrar modelos mais potentes com preços inferiores a modelos menos potentes nos fornecedores de kits fotovoltaicos.

Atualmente, o valor dos módulos fotovoltaicos com potências de 280 a 330 W (os mais comercializados) variam de R$ 500,00 a R$ 1000,00.

Os valores mais baixos só conseguem ser obtidos por empresas (pessoas jurídicas), pois os grandes fornecedores só disponibilizam os preços mais atrativos para quem tem CNPJ cadastrado junto ao fornecedor.

Além disso, o fornecedor em si e a marca do módulo fotovoltaico também influenciam bastante no preço do nosso gerador de energia solar.