Painel Solar (Placa Solar): A Verdade Sobre o Preço e Como Funciona

Painel Solar
Painel Solar (Placa Solar): A Verdade Sobre o Preço e Como Funciona
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Quando falamos de sistemas solares fotovoltaicos, a imagem que vem a cabeça, para a maioria das pessoas, é aquela do painel solar instalado nos tetos das residências e empresas, os quais captam a luz do sol e a transforma em energia elétrica.

Porém, você sabe dizer do que são feitas essas placas, como são fabricadas e qual o processo exato que resulta na geração de energia elétrica através da energia solar?

Essas e várias outras informações importantes serão respondidas nesse artigo elaborado pelo instrutor técnico da Blue Sol, Ronilson di Sousa.

A Exposição do Painel Solar

Apesar de não ser o componente mais importante em um sistema solar fotovoltaico (também conhecido como gerador solar fotovoltaico), o chamado painel solar  é, de longe, o mais aparente.

Toda essa exposição acontece porque, principalmente quando instalado no telhado de uma casa na cidade, o espaço disponível no terreno costuma ser reduzido, implicando no uso do painel solar nos telhados.

O grande segredo é o posicionamento das placas solares de modo que recebam uma maior radiação solar direta, sem a interferência de sombras.

painel solar no telhado
Conjunto de Painéis Solares em um telhado

A incidência direta da radiação solar é muito importante para que as células fotovoltaicas apresentem a melhor eficiência na conversão da radiação solar em energia elétrica, pois, quanto mais luz direta o painel solar  recebe, mais energia elétrica será gerada.

Isto porque, o funcionamento das células fotovoltaicas que compõem os módulos fotovoltaicos (conhecidos como painel solar ou placa solar)  é extremamente dependente da entrada das partículas de luz (os fótons) em seu interior.

Você sabia?

Um conjunto de módulos fotovoltaicos compõem um painel solar fotovoltaico.

Painel solar: célula fotovoltaica
Célula fotovoltaica de silício cristalizado do tipo policristalino

Entendendo o funcionamento do Painel Solar

 

 O Efeito Fotovoltaico

O que faz uma célula fotovoltaica gerar eletricidade é o efeito fotovoltaico, que nada mais é do aparecimento de uma diferença de potencial (ou seja, uma tensão, popularmente conhecida como voltagem) em seu interior, causado pela ação dos fótons (partículas de luz) que interagem com os elétrons dos átomos do material utilizado para a produção da célula fotovoltaica.

É comum representar o efeito fotovoltaico através de uma imagem que simbolize uma célula fotovoltaica, como esta abaixo:

Painel Solar: efeito fotovoltaico
Efeito fotovoltaico em uma célula fotovoltaica de silício cristalizado

As células fotovoltaicas de silício são compostas por duas metades de material semicondutor, combinado com outros materiais, de forma a alterar a sua estrutura eletrônica.

Assim, uma das metades se torna negativa (com sobra de elétrons) e a outra metade se torna positiva (com falta de elétrons).

Na área de contato entre as duas metades (chamada de área de junção-PN) há a formação de um campo elétrico, que impede que os elétrons em excesso do lado negativo a atravessem e cheguem até a outra metade com ‘falta de elétrons’.

Com a entrada da radiação luminosa, os elétrons das camadas externas dos átomos ganham energia suficiente, doada pelos fótons, para se libertarem da força de atração dos núcleos dos átomos e assim se tornarem elétrons livres.

Devido ao campo elétrico da Junção-PN, esses elétrons se acumulam na metade negativa e é por isso que na face das células fotovoltaicas há uma finíssima grade (feita geralmente com uma pasta de prata) que serve para capturar os elétrons livres, permitindo que se forme uma corrente elétrica.

Essa corrente elétrica é aproveitada na realização de um trabalho útil, que pode ser a alimentação de algum equipamento elétrico, ou o carregamento um banco de baterias.

Resumindo

As partículas de luz do sol, os fótons, ao entrar em contato com a célula fotovoltaica, fazem com que os elétrons dos átomos de silício se energizem e desprendam-se, sendo transportados do lado negativo para o lado positivo, dessa forma criando-se uma corrente elétrica contínua.

A eficiência dos módulos fotovoltaicos

As células fotovoltaicas de silício cristalizado absorvem a radiação solar em uma faixa muito estreita do espectro da radiação. Fótons com energia superior à necessária (próximos à luz ultravioleta, com frequência mais alta) concedem energia em excesso, que será transformada em calor.

Fótons com energia inferior à necessária (próximos à luz infravermelha, com frequência mais baixa) não concedem energia suficiente para a liberação dos elétrons, e essa energia é convertida em calor.

Mesmo dentro da faixa aproveitável, apenas uma parte dos fótons têm a energia correta para o efeito fotovoltaico e os fótons com mais energia contribuem com maior geração de calor. Com o calor as células fotovoltaicas de silício cristalino perdem eficiência, pois a tensão da célula cai e, portanto a potência que essa pode gerar cai também.

Painel Solar: faixa espectral da radiação solar aproveitada pelas células
Aproveitamento da radiação solar (abaixo da atmosfera) por células fotovoltaicas

Na área da junção-PN há um gradiente elétrico que contribui para aumentar as perdas na conversão fotovoltaica. Durante a fabricação de um módulo fotovoltaico, a conexão das células fotovoltaicas em série também aumentam as perdas, pois a resistência entre as ligações é somada.

Os fabricantes trabalham com técnicas de produção aprimoradas que visam diminuir as perdas individuais e coletivas das células,  para assim alcançar a máxima eficiência.

Painel Solar: Aproveitamento da luz visível pela célula
Aproveitamento da luz visível pelas células fotovoltaicas

Tenha em mente que as células fotovoltaicas apresentam eficiências maiores que os módulos fotovoltaicos (painel solar), pois a eficiência é baseada na área total que recebe a radiação solar.

Isso porque os módulos fotovoltaicos têm muita área “morta”, como os espaços entre as células, as bordas e também a moldura.

painel-solar-estrutura
Painel Solar: áreas “mortas”

Resumindo

Uma desvantagem é que, de toda a radiação solar que atinge os módulos fotovoltaicos, apenas uma porcentagem dela chega em condições adequadas para que ocorra a realização do efeito fotovoltaico nas células do módulo. Dessa parte aproveitável, apenas uma quantidade consegue ser aproveitada pelos módulos para a geração de energia elétrica, devido as perdas por fatores elétricos e físicos do mesmo.

MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

A célula Fotovoltaica

Uma única célula fotovoltaica gera muito pouca potência (energia produzida). As células fotovoltaicas de silício cristalizado geram valores de tensão (voltagem) em torno de 0,5 V (meio volt), independente de sua área.

Mas a geração de corrente elétrica é dependente da área, quanto maior (mais larga) é a célula fotovoltaica, mais corrente elétrica ela gera; algo em torno de 30 mA/cm² (miliamperes por centímetro quadrado).

painel-solar-celula-fotovoltaica
Painel Solar: Representação gráfica de células fotovoltaicas associadas em série

 

Para que seja possível utilizar a energia gerada pelas células fotovoltaicas, e para que seja possível instala-las em algum local, é necessário associar uma grande quantidade delas, e “encapsula-las” apropriadamente.

Isso é justamente o que é um módulo fotovoltaico, popularmente chamado de placa solar (lembrando que painel solar é um conjunto de placas, ou módulos).

O Módulo Fotovoltaico

Por definição, um módulo fotovoltaico (nome correto do que é chamado popularmente de placa solar) é um conjunto de células fotovoltaicas associadas (geralmente em série) e encapsuladas com materiais que dão robustez mecânica, permitindo a entrada de luz, auxiliando no resfriamento e permitindo a associação de vários módulos e sua fixação em uma estrutura apropriada.

Um típico módulo fotovoltaico (placa solar) feito com células fotovoltaicas de silício cristalizado (c-Si) tem a estrutura física mostrada na imagem abaixo:

Painel Solar: Estrutura do módulo fotovoltaico de silício
Estrutura física de um típico módulo fotovoltaico feito com células de silício cristalizado
  • O que vemos na imagem acima é um “sanduíche” das células fotovoltaicas entre uma lâmina de vidro, na parte de cima do módulo.
  • Uma lâmina de elastômero termoplástico (cuja sigla em inglês é TPE, de thermoplastic elastomer), na parte de baixo.
  • Entre o vidro, as células fotovoltaicas e o TPE, utiliza-se folhas de etileno acetato de vinila (também chamado de etil vinil acetato; em inglês: ethylene vinyl acetate; mais conhecido pela sigla EVA).

Todo o conjunto é prensado e aquecido em uma laminadora, que unifica permanentemente as lâminas, e o conjunto, quando perfeitamente laminado, fica extremamente difícil de se separar.

Ao final do processo é montada a moldura, feita de alumínio, e a caixa de conexão elétrica, que permite a interligação entre os módulos fotovoltaicos.

Resistência do painel Solar

Os módulos fotovoltaicos devem ser capazes de resistir a diversas condições, como a força dos ventos, cargas de neve, calor extremo e impacto de granizo, por isso devem ser construídos segundo a normas internacionais, que inclui os testes a que as placas solares devem ser submetidas.

Resistência do Painel Solar ao Granizo

A resistência a granizo é testada através de um dispositivo que dispara esferas de gelo de 25 mm² (com massa de 7,53 gramas) a uma velocidade de 82 km/h.

O teste é feito com 11 impactos, ou seja, são disparadas 11 esferas em diferentes locais do módulo fotovoltaico (placa ou painel solar), que deve sair intacto, sem quebrar o vidro de cobertura frontal.

Na vida real os cristais de gelo que formam o granizo são muito menos densos que uma esfera de gelo, e caem a velocidades bem menores. Na prática, os módulos fotovoltaicos são extremamente resistentes ao granizo.

O vídeo abaixo ilustra esse processo de teste de garantia de Resistência do Painel Solar ao Granizo:

A VERDADE SOBRE O PREÇO DO PAINEL SOLAR

 

Painel Solar Caseiro – É possível?

É possível fabricar artesanalmente um módulo fotovoltaico, e as primeiras placas solares foram feitas à mão.

Contudo, são as modernas técnicas de produção em série, utilizando-se maquinário específico, com muito pouca intervenção humana, que fez com que o preço do painel solar caísse muito.

Principalmente após a entrada no mercado dos grandes fabricantes chineses (que atualmente dominam o mercado) o preço sofreu uma grande queda, ampliando o acesso a essas estruturas capazes de reduzir a conta de energia dos lares e empresas.

Evolução da fabricação

Os primeiros módulos fotovoltaicos comerciais foram produzidos na década de 70, no auge da crise do petróleo, justamente por grandes empresas exploradoras de petróleo, que tinham o capital necessário para investir comercialmente e em pesquisas de melhoria das células fotovoltaicas.

Naquela época uma simples placa solar de 10 watts de potência custava mais de US$ 700. Hoje em dia, com R$ 700,00 é possível comprar, no varejo (uma única unidade), um módulo fotovoltaico com potência de 150 watts (e é possível encontrar mais barato).

No ano de 2009 um módulo fotovoltaico de 205 Wp (pronuncia-se watts-pico; o pico significa a potência máxima em condições de laboratório) custava aproximadamente R$ 3.500,00

 Hoje em dia compra-se um módulo de 315 Wp por R$ 900,00.

Precificação dos módulos fotovoltaicos

Quando se trata de módulos fotovoltaicos (ou mesmo de um sistema fotovoltaico completo), você ouvirá falar no termo preço por watt, que é o resultado da divisão do custo (em dinheiro) pela potência-pico da placa solar.

Nos exemplos acima, temos que em 2009 o preço por watt do módulo de 205 Wp era de, aproximadamente, R$ 17,00/Wp (R$ 3.500,00 / 205 Wp = R$ 17,07/Wp).

Hoje em dia o custo do módulo de 315 Wp é de R$ 2,86/Wp (R$ 900,00 / 315 Wp = R$ 2,86/Wp).

Aqui no Blog da Blue Sol já escrevemos um artigo com todos os detalhes como peso, área ocupada o e preços das placas de energia solar mais comuns no mercado.  

Custos Adicionais

Infelizmente, antes de poder ser comercializado no Brasil, um contêiner de módulos fotovoltaicos precisa chegar ao Brasil, vindo da China (onde a quase totalidade das placas solares são produzidas) e ao custo por watt somam-se os custos de frete, seguro, custos de desembaraço aduaneiro, impostos, frete terrestre (do porto até o depósito do distribuidor) e seguros (no Brasil).

É aí que o preço do painel solar acaba sofrendo um aumento. Felizmente, os módulos fotovoltaicos têm isenções de alguns impostos (em alguns estados mais do que em outros), o que impede que seu preço no Brasil seja ainda mais elevado – se comparados com os preços no exterior.

E é claro que comprar uma única placa solar sai mais caro que comprar um pallet (geralmente com 20 ou 30 módulos). Quando se compra o kit completo de painel solar de um fornecedor, também é possível aplicar algumas isenções tributárias referentes a equipamentos de geração de energia limpa, em alguns estados cujos governos estaduais lançaram incentivos.

As grandes distribuidoras de equipamentos conseguem praticar preços menores, mas geralmente não vendem ao consumidor final (pessoa física), vendendo somente a empresas instaladoras, embora seja possível usar-se de artifícios para adquirir o equipamento.

Nesse caso, a instalação fica por conta do cliente final, que deve contratar uma empresa especializada, como a Blue Sol Energia Solar. É válido destacar que nem sempre o preço final do sistema fotovoltaico instalado fica muito mais baixo.

Quando a empresa faz o serviço completo, que inclui o projeto, a instalação e os trâmites com a distribuidora local, há duas formas de cobrar os custos de engenharia: embutindo esse custo nos preços dos equipamentos ou cobrando os custos de projeto e instalação à parte.

No segundo caso, são comuns os preços dos componentes serem similares aos das grandes distribuidoras.

Garantias dos Painéis Solares

Por fim, um dos mais significativos componentes do preço do painel solar é referente às garantias comerciais. Os maiores fabricantes de módulos fotovoltaicos do mundo (empresas chinesas, claro) não são as que produzem as células fotovoltaicas mais eficientes ou os módulos mais resistentes, mas sim as empresas que produzem e vendem em maior quantidade.

Uma placa solar é feita para durar mais de 30 anos, com os grandes fabricantes dando garantia de 10 anos contra defeitos de fabricação. Mas não pense que é só chegar na porta da fábrica com um módulo defeituoso na mão e pegar um novinho, pois se a procedência da placa solar não for confirmada, não haverá garantia.

Por isso é extremamente importante a contratação de empresas que utilizam painéis de alta procedência. É aquela velha história: o barato sai caro.

Além disso, muitos fabricantes de módulos fotovoltaicos foram comprados, empresas sofreram fusões, e muitos outros simplesmente abriram falência de suas linhas de produtos para energia solar.

Quem dá a garantia para o comprador é o vendedor final, por isso, quem vende o painel solar também se torna responsável pelas garantias dadas ao cliente. Se o fornecedor ‘sumir’, o revendedor tem que arcar com a garantia.

Dito isso, tão importante quanto avaliar o preço, desconfie de painéis solares muito baratos. O mesmo vale para todos os demais componentes de um sistema solar fotovoltaico, como os inversores interativos (grid-tied inverter).

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Professor Técnico/Eletrotécnico Especialista em Sistemas Fotovoltaicos
CREA-SP: 5069378190
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Blue Sol – Energia Solar

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