Paneles fotovoltaicos: qué son, cómo funcionan, para qué sirven
A produção de painéis solares aumentou em todo o mundo no século seguinte, abastecendo edifícios e até mesmo usando energia solar como combustível para naves espaciais da NASA.
Como funcionam os painéis fotovoltaicos.
Painéis fotovoltaicos, ou painéis solares fotovoltaicos, transformam a luz solar em energia utilizável, convertendo a luz em um campo elétrico que então flui para um fio condutor.
O fio condutor flui para o inversor, que transforma a eletricidade em corrente alternada que pode ser usada para alimentar uma propriedade.
Você deve se lembrar das aulas de física que a luz solar visível é composta de partículas invisíveis chamadas fótons. Eles têm energia, mas nenhuma massa de repouso. A energia dos fótons é convertida em diferentes formas quando eles colidem com outras partículas, e essas formas são determinadas pelo tipo de átomo com o qual eles colidem.
Como os painéis fotovoltaicos produzem eletricidade?
Na maioria dos casos, uma colisão só gera calor. A eletricidade é produzida quando átomos são sacudidos por fótons e divididos.
Em painéis fotovoltaicos, o fluxo de elétrons ocorre entre o silício tipo n e o silício tipo p, à medida que os elétrons do silício tipo n procuram elétrons do silício tipo p para remover os elétrons perdidos.
Semicondutores, como o silício, são capazes de suportar desequilíbrios elétricos devido às suas propriedades extraordinárias. Os painéis fotovoltaicos, portanto, produzirão eletricidade sempre que fótons os atingirem. Os cabos são usados para coletar e transportar corrente por todo o sistema.
Perda de energia em uma célula solar.
Em alguns casos, os painéis fotovoltaicos apresentam uma aparência azulada devido ao silício (policristalino) utilizado na sua fabricação. Essa cor azul se deve principalmente a um revestimento antirreflexo que melhora a capacidade de absorção e a eficiência dos painéis fotovoltaicos.
Por outro lado, os painéis fotovoltaicos pretos (monocristalinos) demonstraram ter uma classificação de eficiência mais alta, pois as superfícies pretas absorvem melhor a luz.
Muitas pessoas escolhem painéis fotovoltaicos monocristalinos porque os painéis pretos combinam melhor com a cor da casa ou do telhado. Esta também é a razão pela qual alguns painéis solares são azuis e outros são pretos.
Componentes de um painel fotovoltaico.
Uma célula solar é feita de material semicondutor. Semicondutores conduzem eletricidade melhor que um isolante, mas não são tão eficientes quanto um material como o metal. Normalmente, os painéis fotovoltaicos têm quatro camadas distintas:
- Camada de silício. O silício, feito de areia derretida, é cortado em camadas finas. A camada de silício facilita o fluxo de energia e a criação de um campo elétrico. Sozinhas, essas camadas de silício são incrivelmente frágeis.
- Suporte metálico e bandas condutoras. Os painéis fotovoltaicos têm um suporte de metal e tiras de metal condutoras para suportar a frágil camada de silício e permitir que a corrente flua através do painel solar para os outros componentes.
- Revestimento antirreflexo. Há uma película de material antirreflexo na parte superior de cada célula solar. Esta camada contribui para a eficiência da célula. À medida que os cientistas continuam a desenvolver a tecnologia de energia solar, os revestimentos antirreflexos estão se tornando mais eficazes.
- Camada de vidro e moldura. Uma camada adicional de vidro cobre os painéis para protegê-los de danos causados pelo clima e pelos elementos. Esta camada protetora contém diferentes tipos de vidro. É essencial investir em vidros de alta qualidade, pois materiais de qualidade inferior podem ficar opacos ou danificados. Uma estrutura robusta também simplifica a instalação e a manutenção, pois o painel solar pode ser facilmente montado. Para garantir a durabilidade do painel solar, as armações são normalmente feitas de alumínio e interligadas ao restante da estrutura de montagem.
Quem inventou os painéis fotovoltaicos?
A história dos painéis solares fotovoltaicos remonta a centenas de anos. Foi necessária muita inovação por parte de muitas pessoas para chegar ao painel solar moderno.
O efeito fotovoltaico foi descoberto por um jovem cientista francês chamado Edmund Becquerel em 1839, quando ele fazia experiências com um par de eletrodos de metal.
Muitas pessoas não sabem que Albert Einstein ganhou o Prêmio Nobel em 1921 por sua pesquisa que remonta a 1900 e por um artigo técnico que explicava o efeito fotoelétrico. Em 1954, a Bell Labs inventou uma célula solar com eficiência de 4%.
Eficiência dos painéis solares fotovoltaicos.
O setor atual de painéis solares fotovoltaicos é composto principalmente por painéis com eficiências entre 15% e 22%, com grandes discrepâncias em ambas as extremidades do espectro.
A maioria dos painéis fotovoltaicos do mercado não tem eficiência superior a 20%. Painéis solares de alta qualidade podem oferecer eficiência acima de 22%, embora alguns cheguem a 24%.
Se você estiver interessado neste tópico, pode aprender mais neste artigo: O que exatamente é eficiência em painéis solares fotovoltaicos?
Os painéis fotovoltaicos funcionam em tempo nublado?
Tanto a luz solar indireta quanto a direta podem ser usadas para gerar eletricidade, mas, em geral, os painéis fotovoltaicos geram mais eletricidade com luz solar direta do que com luz solar indireta. Em condições nubladas, os painéis solares continuarão a funcionar mesmo que parte da luz seja refletida.
Se você quiser se aprofundar mais neste tópico, confira este artigo: Os painéis solares funcionam em dias nublados? E à noite?
Existem tecnologias solares alternativas à energia fotovoltaica?
Ao procurar instaladores de painéis solares, é importante entender todas as tecnologias solares disponíveis atualmente. Uma das perguntas mais frequentes é se existem alternativas à energia fotovoltaica.
- Energia solar térmica concentrada. Esses sistemas geram energia solar usando espelhos ou lentes para concentrar uma grande área de luz solar em um receptor.
- Coletores solares. A energia do sol é usada para aquecer a água da sua casa usando sistemas de aquecimento solar de água. Sua casa pode gerar água quente a partir do sol com um sistema de aquecimento solar de água. Coletores solares no seu telhado coletam calor do sol. Ao instalar um aquecedor solar de água, você pode essencialmente eliminar o custo do aquecimento de água.
Como funciona a conexão à rede com painéis fotovoltaicos?
Na maioria dos casos, os proprietários que instalam painéis solares fotovoltaicos em suas casas optam por se conectar à rede elétrica. Dessa forma, os painéis fotovoltaicos e a rede elétrica conseguem fornecer energia para a casa.
A energia solar é intermitente, ela não produz eletricidade se não houver sol. Portanto, casas solares conectadas à rede elétrica usarão energia da rede para atender às suas necessidades energéticas. Este é um processo perfeito para o proprietário, pois acontece automaticamente, sem necessidade de nenhuma ação.
Por outro lado, se os painéis solares produzirem mais eletricidade do que uma casa conectada à rede pode usar, a eletricidade extra será devolvida à rede. A eletricidade solar produzida será então usada pelos seus vizinhos. Dessa forma, não há desperdício de energia elétrica.
Fabricação de painéis fotovoltaicos.
Por fabricação de painéis fotovoltaicos, queremos dizer a fabricação e montagem de materiais em toda a cadeia de fornecimento de energia solar.
Isso inclui não apenas painéis solares fotovoltaicos, mas também componentes como baterias, inversores e equipamentos de rack, cada um com sua própria composição química e física.
Quanto à origem das peças-chave dos painéis solares, a montagem em si é bastante simples. Então, surge a questão: do que são feitos os painéis solares fotovoltaicos?
Do que são feitos os painéis fotovoltaicos?
Praticamente todos os painéis solares fotovoltaicos usam pastilhas de silício cristalino como material primário.
De cima para baixo, um painel solar colocado em um telhado é composto por:
- uma moldura.
- uma tampa de vidro.
- um encapsulante que fornece proteção contra intempéries.
- células fotovoltaicas.
- outro encapsulante.
- uma folha traseira que fornece mais proteção.
- uma caixa de junção que conecta o painel a um circuito elétrico.
- e outros adesivos e selantes entre as peças.
O silício é usado para criar semicondutores para aproximadamente 95% de todos os painéis fotovoltaicos no mercado atualmente.
Os painéis fotovoltaicos também exigem estruturas de alumínio, uma folha traseira, uma caixa de junção e normalmente são cobertos por uma camada de vidro com um revestimento antirreflexo.
Todas essas peças devem ser compradas separadamente e são compostas de matérias-primas exclusivas, como quartzo e cobre.
O silício, de longe o semicondutor mais utilizado na tecnologia solar, também se tornou um material vital para uso em chips de computador e eletrônicos modernos. O silício é extraído de materiais como o quartzo (dióxido de silício, SiO 2 ) e passa por um processo de purificação e intensificação antes de poder ser usado como silício puro.
Os fabricantes de energia solar podem usar materiais reciclados para suportes de alumínio, mas encontrar materiais mais sustentáveis para vidro antirreflexo ou fiação de cobre se tornou um desafio.
Explicaremos por que isso é importante mais tarde, mas essas cadeias de suprimentos são o que tornam o rastreamento do impacto de uma empresa de energia solar tão complexo. Um produto final pode ser anunciado como sendo feito na Europa, mesmo que 90% de seus componentes venham do Sudeste Asiático.
A cadeia de suprimentos global.
Para determinar onde os painéis solares são fabricados, é necessário rastrear a cadeia solar desde o produto final até seus componentes e as matérias-primas das quais são feitos.
Todos os componentes de um painel fotovoltaico são feitos de componentes menores, que por sua vez são feitos de matérias-primas provenientes de muitas regiões.
Os próprios módulos solares são feitos de células solares, que por sua vez são feitas de wafers de silício, as finas folhas de silício usadas como semicondutores em todos os eletrônicos, incluindo painéis fotovoltaicos.
A China controla pelo menos 60% da fabricação de wafers, incluindo 25% por uma única empresa, a Longi Green Energy Technology Co., a maior empresa de energia solar do mundo.
No início da cadeia de suprimentos, os wafers de silício são fabricados a partir de polissilício de grau solar. Quase metade (45%) desse polissilício é produzido na região uigur, no oeste da China, onde um relatório revelador expôs a migração forçada e o trabalho forçado da população indígena uigur. Essa questão significativa de direitos humanos não afeta apenas a indústria solar, mas se estende a toda a indústria eletrônica que depende de semicondutores de silício.
Entre os outros componentes de um módulo solar, as estruturas, feitas de alumínio, podem ser o aspecto mais sustentável, já que a maior fonte de alumínio (quase 40%) vem de produtos reciclados. A grande maioria dos fabricantes de quadros está sediada na China. O mesmo vale para vidros, encapsulantes e materiais de folha traseira, onde a China domina os setores, seguida pela Alemanha.
Tipos de painéis solares fotovoltaicos.
Existem quatro tipos principais de painéis solares disponíveis no mercado hoje: monocristalinos, policristalinos, PERC e película fina.
- Painéis solares monocristalinos. Também conhecidos como painéis monocristalinos, eles são feitos de um único cristal de silício puro cortado em várias pastilhas. Feitos de silício puro, eles podem ser facilmente identificados pela cor preta escura. O uso de silício puro também torna os painéis monocristalinos os mais eficientes em termos de espaço e os mais duradouros dos três tipos de painéis solares. No entanto, isso tem um custo: produzir uma célula monocristalina desperdiça muito silício, às vezes mais de 50%. O resultado é um preço alto.
- Painéis solares policristalinos. Como o nome sugere, eles vêm de diferentes cristais de silício, e não de um só. Os fragmentos de silício são derretidos e despejados em um molde quadrado. Isso torna as células policristalinas muito mais acessíveis, pois quase não há desperdício, o que lhes confere aquele formato quadrado característico. No entanto, isso também os torna menos eficientes em termos de conversão de energia e espaço, já que sua pureza de silício e construção são menores do que as dos painéis monocristalinos. Eles também têm menor tolerância ao calor, o que significa que são menos eficientes em ambientes de alta temperatura.
- Painéis PERC. Os painéis solares PERC são uma melhoria em relação às células monocristalinas tradicionais. Essa tecnologia relativamente nova adiciona uma camada de passivação à superfície posterior da célula, o que melhora a eficiência. Os painéis PERC permitem maior captura de energia solar em um espaço físico menor, tornando-os ideais para espaços limitados. Eles são um pouco mais caros de produzir do que os painéis tradicionais devido aos materiais adicionais necessários, mas podem ser fabricados no mesmo equipamento e podem acabar tendo um custo médio por watt menor devido à sua eficiência.
- Painéis solares de película fina. Eles são caracterizados por terem camadas muito finas, finas o suficiente para serem flexíveis. Cada painel não requer uma estrutura de suporte, o que os torna mais leves e fáceis de instalar. Ao contrário dos painéis de silício cristalino, que vêm em tamanhos padronizados de 60, 72 e 96 células, os painéis de película fina podem vir em tamanhos diferentes para atender a necessidades específicas. No entanto, eles são menos eficientes que os painéis solares de silício típicos.
Principais fabricantes globais de painéis fotovoltaicos.
Presumimos que nenhuma das empresas de energia solar listadas abaixo conduz todas as suas operações exclusivamente em seu país de origem.
As melhores empresas do setor são entidades internacionais que captam e distribuem recursos em vários países.
A cadeia de fornecimento de energia solar é realmente global, então responder à pergunta “onde os painéis solares são fabricados?” é tão complicado.
Lista dos principais fabricantes de energia solar, juntamente com suas sedes:
- SunPower: Estados Unidos.
- Trina: China.
- Células Q: Coreia do Sul.
- REC: Cingapura.
- Canadian Solar: Canadá.
- Jinko Solar: China.
- LONGi Solar: China.
- JA Solar: China.
Por que é importante onde os painéis fotovoltaicos são fabricados?
A fabricação de painéis fotovoltaicos exige um processo complexo de extração, purificação e montagem, e cada etapa tem seu próprio impacto.
Para consumidores conscientes que buscam respostas sobre onde os melhores painéis solares são feitos, o local de produção não importa tanto quanto a forma como o painel solar é feito. Aqui estão alguns motivos:
- Impactos humanitários. Infelizmente, a produção de energia solar não teve seu crescimento sem sua parcela de problemas de direitos humanos. Nos últimos dois anos, o genocídio causado pela repressão chinesa e pelo trabalho forçado de uigures e outras minorias muçulmanas em Xinjiang, de onde vem uma parcela significativa do polissilício do mundo (o principal material do silício usado em células solares), veio à tona. A indústria solar respondeu para ajudar a apoiar e garantir uma cadeia de fornecimento solar ética.
- Impacto ambiental. Os desafios ambientais que envolvem a implantação de energia solar em larga escala decorrem da mineração, das emissões do tratamento de águas residuais e do descarte de painéis fotovoltaicos no fim da vida útil. Empresas como SunPower, REC e First Solar estão liderando iniciativas de reciclagem de painéis solares e desenvolvendo células solares projetadas para serem reutilizadas por meio de uma economia circular.
- Impacto econômico. O potencial econômico da energia solar em todo o mundo exige maior investimento (público e privado) nessa tecnologia em expansão. A corrida global para liderar a economia de energia limpa está em andamento, e aproveitar o potencial da energia solar oferece mais do que apenas benefícios ambientais. Com o custo da energia solar tão baixo quanto em 2022 e um mercado potencial de tamanho impressionante, a produção e a fabricação de energia solar oferecem uma enorme oportunidade econômica com o investimento certo.
Os painéis fotovoltaicos são recicláveis?
Os painéis solares são feitos principalmente de materiais que podem ser reciclados ou reutilizados.
Componentes como vidro e certos metais compõem 80% da massa do painel solar e são relativamente fáceis de recuperar. Os polímeros e componentes eletrônicos dos painéis solares também podem ser reciclados.
A realidade da reciclagem de painéis fotovoltaicos é mais complicada do que simplesmente desmontá-los e reutilizar os componentes.
Os processos atuais de reciclagem não são muito eficientes e recuperar materiais geralmente custa mais do que produzir um novo painel.
No entanto, há incentivos significativos para otimizar a reciclagem de painéis solares: reduzindo custos, diminuindo o impacto ambiental das emissões de fabricação e mantendo os resíduos eletrônicos tóxicos fora dos aterros sanitários. Dada a rápida expansão da tecnologia solar, a reciclagem de painéis solares é uma parte cada vez mais importante do mercado de energia solar.
Por que a reciclagem de painéis solares é importante.
Os painéis solares chegam ao fim de sua vida útil após cerca de 30 anos.
À medida que o uso de painéis solares aumenta, também aumenta a quantidade de resíduos provenientes de painéis quebrados ou removidos. Um aumento significativo no desperdício de painéis solares está se aproximando. De fato, alguns estudos afirmam que, até 2050, os resíduos de painéis solares podem representar 10% do total de lixo eletrônico do mundo.
Atualmente, quase 90% dos painéis solares acabam em aterros sanitários, onde, como todo lixo eletrônico, acabam liberando produtos químicos tóxicos no solo e no abastecimento de água.
Além de ser melhor para o meio ambiente, a reciclagem de painéis solares tem um benefício econômico. Nos próximos 30 anos, peças recicladas de painéis solares podem valer cerca de US$ 15 bilhões e produzir até 630 GW de eletricidade se usadas em novos módulos.
Como funciona a reciclagem de painéis solares.
Vidro, plástico e metal, os principais componentes de um painel solar, podem ser reciclados separadamente.
Mas em um painel solar funcional, todos esses materiais se combinam para formar um único produto. O desafio da reciclagem está na separação dos componentes para uma reciclagem eficiente, bem como no processamento das células de silício, que exigem um processo de reciclagem mais especializado.
Para todos os tipos de painéis solares, o cabo, a caixa de junção e a estrutura devem primeiro ser separados do painel. Os painéis de silício são normalmente triturados ou triturados e, em seguida, os materiais são separados mecanicamente e enviados para vários processos de reciclagem, dependendo do tipo de material. Em alguns casos, os painéis passam por um processo semelhante de separação mecânica dos componentes, mas depois passam por um processo de separação química conhecido como delaminação para remover a camada de polímero do vidro e do material semicondutor.
Componentes como prata, cobre, alumínio, fios isolados, silício e vidro podem ser separados mecanicamente ou quimicamente e reciclados.
A reciclagem dos componentes de um painel solar de telureto de cádmio (CdTe) é mais complicada do que o processo usado para painéis solares com células feitas de silício. Envolve várias etapas de separação física, bem como separação química e precipitação de metais.
Outros processos de reciclagem envolvem a queima térmica dos polímeros do painel ou até mesmo o corte dos componentes.
Inovações que visam otimizar o processo de reciclagem e recuperar os materiais mais puros são constantes. Por exemplo, a Veolia, uma empresa francesa, usa robôs para separar peças de painéis solares de silício para reciclagem e tem capacidade para processar 1.800 toneladas de materiais de painéis solares por ano. A empresa planeja expandir essa capacidade para 4.000 toneladas em 2022.
O estado atual da reciclagem de painéis solares.
Normalmente, quando os fabricantes de energia solar recuperam painéis solares usados, eles podem descartá-los ou reciclá-los.
Infelizmente, devido ao processo de reciclagem que exige muito trabalho e à economia do processo, a maioria dos painéis solares acaba em aterros sanitários. Se um tipo específico de painel tiver uma quantidade maior de terras raras ou metais valiosos, é mais provável que ele seja reciclado, pois o benefício da recuperação dos metais supera o custo.
Quando os painéis solares são reciclados, isso geralmente é feito em usinas de reciclagem de vidro. Vidro especializado para painéis solares é misturado com vidro comum para servir como isolamento. No entanto, a indústria solar está se concentrando na otimização do processo de reciclagem, e os países estão explorando a possibilidade de construir novas usinas de reciclagem especificamente para painéis solares.
Em 2012, a União Europeia promulgou a Diretiva de Resíduos de Equipamentos Elétricos e Eletrônicos (REEE), que exige a reciclagem de resíduos eletrônicos, como painéis solares, para proteger a saúde humana e o meio ambiente. Devido a essa regulamentação, a Europa se tornou o único continente com centros de reciclagem dedicados à reciclagem de painéis solares.
Outros países, como Austrália, Índia, Japão e Coreia do Sul, desenvolveram seus próprios regulamentos para reciclagem de painéis solares. Nos Estados Unidos, isso fica a cargo dos estados.