Célula Solar Fotovoltaica

Célula Solar Fotovoltaica

Definição
Uma célula solar fotovoltaica é um dispositivo que transforma a luz solar incidente em electricidade.
Não produz emissões nem resíduos e é silenciosa.



As Origens da Célula Solar Fotovoltaica

- O efeito fotovoltaico foi descoberto em 1839 pelo físico francês Edmund Becquerel.
- Em 1930, Russell Ohl descobriu a célula fotovoltaica feita a partir de silício.
- As vantagens de usar células fotovoltaicas para transformar a luz solar em energia eléctrica foi primeiramente apreciada para alimentar os satélites e viagens espaciais.

Tecnologias das Células Solares

- Existem muitas formas diferentes de transformar a luz solar em electricidade.
- As células solares são agrupadas em unidades maiores, chamados “módulos”, que por sua vez se agrupam em arrays (linhas e colunas).



Fig. 1 – Células, Módulos e Arrays

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos (Parte 5/6)

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Construção de um módulo Concentrador Híbrido (fotovoltaico/térmico – produz electricidade e aquece água)

Embora o painel que construímos deva estar operacional, este que vamos agora tratar tem duas vantagens:
- Pode usar um concentrador de Winston para aumentar a quantidade de luz solar que atinge cada célula;
- Também é capaz de aquecer ar ou água, usando o calor desperdiçado nas células solares.
Fizemos duas versões ligeiramente diferentes: uma com uma folha metálica como suporte traseiro e tubos de água; uma com as células montadas numa ripa de madeira.
A segunda versão só pode ser usada para aquecer ar mas é mais simples e barata.

O Suporte de Protecção

É uma peça de madeira com cerca de 1.2cm maiores que as células e suficientemente comprida para receber as linhas de células.
Será boa ideia limitar o comprimento de cada placa a 1.30 m ou 1.5 m, de modo a que cada uma contenha 16 células. Nesse caso, dois destes submódulos formam um módulo. Com estas medidas as células ficarão afastadas mais ou menos 1 mm umas das outras.
O suporte que iremos construir será feito a partir de uma folha de material metálico, pois este conduz o calor (para aquecer a água) muito melhor que a madeira.
Por baixo desse suporte metálico soldaremos dois tubos, também metálicos, para conduzir a água a aquecer (como efeito secundário positivo, a água que aquecemos também refrigerará as células fotovoltaicas – nice!).
Veja a figura abaixo



Será boa ideia que o suporte metálico e os tubos sejam do mesmo material de modo a que o coeficiente de dilatação, sendo igual, não provoque fissuras. No entanto, tubos de cobre também podem ser utilizados.
As dimensões mostradas na figura acima são para células fotovoltaicas de 7,5 cm de diâmetro. Para outros tamanhos poderá alargar o suporte, mas a dobra pode continuar em 2,5 mm.
Uma outra possibilidade para o suporte é usar placas de alumínio (baratas).

Isolamento e Encapsulamento das Células Fotovoltaicas

Como vamos usar um suporte metálico, é óbvio que as células fotovoltaicas não podem assentar directamente sobre esse suporte, sob pena de curto-circuito. Então, teremos de as isolar electricamente mas não termicamente. Um material que reúne as características desejadas é o Silicone RTV (silicone transparente de borracha para calafetar).

Passo 1:

Usando uma pistola de calafetar, faça uma camada do silicone RTV no centro da placa de suporte e, rapidamente, espalhe esse silicone de modo a ocupar toda a placa, com uma espessura de cerca de 2mm (ver figura abaixo). Neste ponto a velocidade é mais importante que a perfeição, de modo a evitar que o silicone seque.



Passo 2:

Corte uma tira de tecido com cerca de 2,5 cm de largura e mais comprida que a placa de suporte metálico (prepare esta tira antes de colocar o silicone pois vai logo precisar dela assim que espalhar o silicone).
Pressione a tira de tecido na camada de silicone ainda fresca (ver figura seguinte)



Passo 3:

Envolva o tecido com uma nova camada de silicone, desta vez com mais cuidado, de forma a conseguir uma superfície o mais lisa possível (ver figura seguinte).
O objectivo destes dois passos é criar uma barreira que impeçam que acidentalmente as células toquem no suporte metálico e assim provoquem um curto-circuito.



Passo 4:

Deposite as células solares, com muito cuidado, na camada ainda fresca de silicone (ver figura seguinte). Se puder, e é conveniente que o faça, soldar as fitas de cobre das células à sua parte traseira e colocá-las, uma de cada vez no suporte. Depois então solde-as umas às outras, depois de ter verificado, uma a uma, que todas estão a funcionar.
Pressione com delicadeza cada célula contra o silicone fresco, de forma a eliminar as bolhas de ar que se formam. Todavia, cuidado! Não se esqueça que é preferível ficar com algumas bolhas de ar mas as células todas inteiras.



Passo 5:

Quando tudo estiver ok, aplique uma camada de silicone RTV sobre todo o módulo.
Finalmente, aplique, sobre esta última camada de silicone, enquanto ainda fresca, uma fita de Mylar plástica – plástico aderente - (da 3-M, por exemplo) (ver figura seguinte).
Com prática, isto produzirá uma camada exterior fina e uniforme, sem bolhas de ar.
Tenha cuidado de não envolver os terminais das células (aqueles que vão ligar ao circuito exterior), nem com o silicone nem com o plástico.



E pronto, se tudo tiver corrido bem, ficará com um painel solar híbrido (produz electricidade e aquece água – fotovoltaico/térmico) pronto a usar.
Se por acaso alguma célula “pifar”, terá de cortar essa zona com uma lâmina, reparar tudo com muito cuidado (e paciência, por isso é melhor assegurar-se que tudo fica bem feito à primeira, mesmo que demore mais tempo) e voltar a envolver a zona.



[continua...]

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos (Parte 4/6)

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Corte do Plástico

Deve usar chapas de acrílico com cerca de 3mm de espessura.
Cortar estas chapas é muito fácil. A melhor maneira é utilizar uma faca afiada e, depois de passar com ela firmemente 2, 3 ou mais vezes, até formar uma fenda profunda na chapa, com o auxílio de uma régua metálica (para o risco/marcação ficarem direitos), pelo sítio por onde se quer cortar (com as medidas) partir a chapa por aí, bastando para isso dobrá-la pelo lado onde se fez o corte.
No caso das tiras de separação entre as linhas de células, pode haver mais dificuldade devido ao seu pequeno tamanho. Tenha pois cuidado para não se ferir com a faca.
A chapa de acrílico também poderá ser cortada com um serrote de dentes pequenos, como uma serra de cortar ferro, por exemplo. O problema deste método é de se poder partir o acrílico mais facilmente, especialmente se a folha do serrote for um bocado mais grosseira.

Colar a Caixa de Plástico

Há uma série de colas adequadas para acrílico.
A maioria delas funciona segundo o princípio do solvente: elas dissolvem ligeiramente o acrílico de forma a formar uma superfície pegajosa.
Por exemplo, pode usar o tricloroetileno ou o cloroformo, embora este último seja perigoso e canceroso. Evite pois respirara os fumos ou que o produto entre em contacto com a sua pele.
As colas comerciais, embora sejam também perigosas, não requerem essa extrema atenção que o manuseio do cloroformo requer.

Coloque as peças a serem coladas na posição desejada.
Usando um conta-gotas deite umas quantas gotas entre superfícies a colar.
Pressione ligeiramente, mas sem deixar fugir as peças para o lado, a zona de junção.
Não mova as peças durante 5 minutos.
Verifique se ficaram bem coladas.
As partes coladas parecerão húmidas e transparentes quando vistas através de uma das faces brilhantes da peça, enquanto os pontos que não ficaram em contacto reflectirão mais luz.
Pode então aplicar mais umas gotas nesses pontos.
Se tudo correr bem, ficará com uma caixa totalmente à prova de água, como convém para proteger as nossas células.

Tapar a Cobertura

Quando tiver todos os lados, a parte de baixo e as tiras separadoras coladas, estará em condições de instalar as células solares e colocar a tampa superior da caixa.
Então, antes de colocar as células, coloque a tampa no seu local e, com a ajuda de um berbequim (com uma broca adequada aos parafusos que irá usar), faça uma série de furos nos locais onde irá colocar os parafusos (não se esqueça que têm de ficar alinhados com a borda da caixa, a toda a sua volta.
Depois, para se assegura que todos os furos ficam alinhados, coloque a tampa no sítio e, ao longo de toda a borda superior da caixa, faça 2 furos nos extremos opostos antes de todos os outros.
Repita o processo para as tiras de separação das linhas de células, que estão no interior da caixa.

Instalação das Células solares

Agora que a cobertura está pronta, pode colocar a cobrir todo o fundo da caixa, placas de esferovite de 1 a 2mm de espessura, de forma a que as células fiquem mais protegidas.
Poderá ainda colar as células à caixa usando um pouco de silicone por detrás de cada célula.
Mas atenção, antes de fazer isto deve verificar se as células estão todas a funcionar bem, porque depois é impossível retirá-las sem as partir.
Tenha o cuidado de colocar as linhas de células de forma a que os fios de ligação da parte traseira da última célula de uma linha fiquem ao lado dos fios de ligação da parte frontal da primeira célula da linha seguinte, de forma a poder fazer a sua ligação/soldadura facilmente e com fios pequenos; operação que deve ser feita com cuidado pois o acrílico derrete com o calor, pelo que aconselhamos a colocação de um bocado de cartão debaixo dos fios enquanto procede à soldadura.

Há vários métodos de trazer as pontas dos fios da célula final (que vão ligar ao circuito externo) para fora da caixa.
Nós vamos fixar um par de bornes na parte de baixo da caixa. Para isso vamos usar dois parafusos que serão aparafusados de dentro para fora. Na junta (entre o parafuso e o acrílico) deverá colocar um pouco de silicone.
Talvez a melhor maneira até seja fazer uns furos deparados de ¾ polegada, de forma a poder lá colocar um par de terminais/bornes do tipo banana. Isso facilitará depois a ligação ao circuito externo.
Na parte interior deverá soldar os fios aos parafusos, aproveitando para colocar antes o díodo de bloqueio. O cátodo deve ligar ao terminal positivo e o ânodo à traseira da última célula.
Claro que a parte da frente da primeira célula deve ser ligada ao terminal negativo.

E pronto, o painel está pronto a ser exposto ao Sol (quanto mais brilhante melhor).
Depois limpe a parte interior da tampa e aparafuse-a, para além de colocar um pouco de silicone ao longo de toda a junção.

[continua...]

Célula Solar Fotovoltaica - Como funciona (Animação)

Como Funciona a Célula Solar Fotovoltaica - Animação -

A animação seguinte mostra como uma célula solar, obtida a partir de um corte de um monocristal de silício, é capaz de converter a luz solar em electricidade.
A camada inferior é dopada com um material tipo P, por exemplo o alumínio, o Gálio ou o Índio, para produzir lacunas (círculos verdes).
A camada tipo N é dopada com fósforo, arsénio ou antimónio para criara electrões livres/móveis (os pontos azuis).
A animação é composta por duas fases:
1. Fase escura (sem luz solar)
Inicialmente, não existe diferença de carga entre a barreira de potencial na junção das duas camadas. Contudo, devido à natureza cristalina do silício, os electrões que estão fora de um octeto estável na camada N têm uma tendência para migrar através da barreira/junção para formar um octeto estável na camada P. Quando isto acontece é criada uma diferença de potencial entre as duas camadas.
2. Fase Iluminada (com luz solar)
Os electrões são excitados quando os quanta de luz penetram na camada P. Os electrões excitados têm duas opções de movimento. Podem migrar através do circuito externo ou curto-circuitar esse caminho através da barreira de potencial/junção. Se o circuito fotoeléctrico for construído correctamente eles encontrarão o seu caminho de regresso para a camada N através do circuito externo.

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos (Parte 3/6)

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Soldadura das Células Solares

A maioria das células disponíveis comercialmente são projectadas para ter contactos e fios soldadas nelas.
Para além disso muitos fabricantes estanham, ou cobrem com solda, os pontos de contacto onde os fios devem ser ligados.
Solda normal (60% estanho e 40% de chumbo)pode ser usada.
Quanto ao ferro de soldar, um pequeno ferro do tipo lápis, de cerca de 35 a 40W é o suficiente.
O processo de soldar as peças de cobre à célula não é difícil, mas [hidepost=0]requer que seja feito de forma rápida com o ferro quente.
Primeiro, é muito importante que as duas superfícies a soldar estejam bem limpas. Deverá pois limpá-las com uma cotonete de algodão embebida em álcool e depois deixar secar a superfície antes de soldar.
Algumas células têm os dedos da parte frontal cobertos com um produto anti-reflexo. Se for esse o caso tem de o retirar, o que pode ser feito usando uma borracha de lápis normal, retirando assim essa cobertura apenas na zona onde se vai soldar, até ficar com um brilho metálico.
Quando soldar, pressione firmemente (veja figura anterior) a célula, mas não exagere pois pode parti-la.
Primeiro deve colocar solda na tira de folha de cobre em todo o seu comprimento, excepto na zona onde ela irá depois entrar em contacto (ser soldada) à célula seguinte, de forma a aumentar a flexibilidade.
É melhor soldar primeiro todas as peças de folha de cobre aos lados da frente (dedos) de todas as células…
… Depois colocar todas as células viradas ao contrário, sobre um superfície dura, na forma final, isto é, na forma desejada para o módulo, alinhando-as bem. Deve até fixar esse arranjo com pequenos pedaços de fita-cola, de forma a que as células não se desalinhem durante o processo da soldadura.
Depois então deverá soldar as tiras às partes traseiras das células.
As células do extremo do módulo devem ficar com a tira de folha de cobre respectiva a sair cerca de 1 cm para o exterior, de forma a podermos depois ligá-las ao circuito externo.

Construção de um Módulo Plano

Uma maneira simples de providenciar protecção às células é colocá-las dentro de uma caixa de acrílico.
Essa caixa terá uma tampa amovível que é presa com parafusos e selada com silicone em gel.
Deste modo, com esta protecção, o painel/módulo solar funcionará em pleno durante cerca de 15 anos, em média.

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Projectar a Caixa

O primeiro passo é desenhar/projectar a caixa que vai conter o painel.
Para um módulo de 32 células, dever-se-á usar 4 linhas de 8 células cada, embora sejam admissíveis outros arranjos, conforme o local onde será colocado.
Essas linhas de células devem ficar separadas umas das outras por fitas de acrílico finas, que fazem assim com que as linhas de células fiquem separadas umas das outras sem ser preciso prendê-las à caixa, além de suportarem a tampa de forma a que esta não possa ser empurrada para dentro e danificar as células.
Agora é calcular o tamanho da caixa.
Para isso, o melhor é colocar as células no sítio onde vão ficar, sobre o painel de acrílico inferior e medir então, deixando cerca de 1 cm entre cada linha e outro 1cm em cada extremo.
Veja a figura seguinte:



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Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos (Parte 2/6)

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Medições Corrente – Tensão

Todas as células solares de silício disponíveis comercialmente produzem aproximadamente a mesma tensão eléctrica.
Mesmo para células relativamente ineficientes, a tensão em circuito aberto deverá ser acima dos 0.5 V e abaixo dos 0.6 V, debaixo de iluminação directa do Sol.
Com iluminação reduzida, a tensão de circuito aberto descerá para cerca de 0.3 V.
Se uma célula não atingir estes valores, provavelmente estará em curto-circuito.
Deverá então examinar visualmente a célula com muito cuidado para ver se encontra um defeito óbvio. Se o curto-circuito for interno, não poderá ser reparado.
O valor da corrente de saída de uma célula solar está directamente relacionado com a área da célula e a intensidade da luz a que está sujeita, para além da qualidade da célula, e é uma característica que é determinante para decidir se devemos usar ou não essa célula na construção do módulo, pois a corrente máxima que o módulo pode fornecer é igual à corrente máxima que a pior das células pode fornecer. Isto porque são ligadas em série no módulo.
Para saber a corrente aproximada que deve ser medida, e assim decidir se está boa ou não, meça a área da célula em centímetros quadrados e multiplique esse valor por 21. Depois meça o valor da corrente e veja se está perto do valor encontrado.
Outra solução é ter uma célula que sabe de certeza estar boa, medir a sua corrente máxima, que depois servirá de bitola para as células a testar.

Como Ligar as Células

As células solares podem ser ligadas a um circuito externo de várias maneiras.
Podem ser colocadas num suporte com contactos de mola que pressionam a parte da frente e a de trás; as conexões podem ser soldadas; mas a maneira mais comum de ligar células solares é soldando fios condutores nelas.
As células podem ser compradas com valores de corrente até 2.5A, mas as tensões que produzem são muito pequenas.
Assim, a única finalidade de ligarmos/juntarmos várias células num módulo é a de aumentar a tensão ou corrente disponíveis numa célula individual.
Habitualmente, a célula é projectada para poder entregar a corrente desejada, e assim ligamos várias células em série para produzir a tensão desejada.
Devemos sempre usar também um díodo de bloqueio para ligar o módulo à bateria, de modo a impedir que a corrente flua para trás, isto é, da bateria para o módulo, de noite ou quando o módulo tenha uma menor tensão que a bateria (períodos nublados). Se colocar um díodo em série com cada módulo ainda é melhor, pois a varia de um módulo não impede que os outros continuem a operar.

Os vários modos de ligar as células solares em série

- Na primeira (shingling) a parte traseira de uma célula é colocada por cima da parte dianteira da célula seguinte, em cerca de 1mm, e depois soldadas. O padrão de dedos é desenhado com uma tira própria para soldar num dos lados. Contudo, a expansão e contracção que ocorrem com a temperatura, para além de qualquer flexão do módulo, faz com que a zona de junção soldada se parta facilmente, implicando a falha da célula;
- A mais comum é a segunda, usando fios ligadores feitos de folha de cobre.
É a que vamos usar.
É muito fácil preparar esses fios de ligação, como se pode ver na figura seguinte:



A folha de cobre deve ser muito fina (0.002 polegadas ou 50 microns) de forma a permitir ligações flexíveis.
Estas fitas são muito fáceis de cortar a partir de uma folha maior.
O tamanho e forma exactas das tiras dependem do padrão dos dedos da célula, mas é melhor deixar 1 a 2mm de espaço entre as células.
Também é recomendável colocar 2 ou 3 tiras em paralelo entre cada célula de forma a fazer contactos redundantes. Assim, o módulo não falhará se uma ou duas soldaduras se partirem.
Veja a figura seguinte



Recomenda-se ainda que finos, preferencialmente plissados, tiras de cobre sejam soldadas a todo o comprimento das bandas largas. Estas fitas devem ir até, pelo menos, metade da parte traseira da célula seguinte, para melhorar a resistência a choques e torções.

Em vez de tiras de cobre, é também possível usar fio de cobre de pequeno diâmetro, para fazer as ligações.
As ligações dos fios devem ser feitas de modo a que fiquem com uma ligeira curvatura quando as células são colocadas na posição final, de forma a permitir a expansão e contracção térmica que ocorrerá sempre devido ás oscilações de temperatura.

[continua...]

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos (Parte 1/6)

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos

Parte 1/6

É possível, e relativamente fácil, qualquer pessoa montar os seus próprios módulos fotovoltaicos, a partir de células individuais.
Embora não fiquem tão fiáveis e duráveis como os comerciais, existe uma série de razões para que seja você a fazê-lo:
- Precisa de módulo personalizado para uma aplicação especial que requer uma voltagem não usual;
- Precisa de um módulo com uma determinada forma para caber numa dada localização;
- Comprou uma série de células fotovoltaicas em segunda mão, baratas, e quer aproveitá-las;
- Quer aprender mais acerca de células solares e decidiu meter a mão na massa para isso;

No nosso caso é esta última hipótese que prevalece – aprender.

Teste de Células Solares

Hoje em dia existem múltiplos locais onde pode comprar células solares individuais ou em grupos de 2 ou 4.
Seja qual for a sua origem, deve sempre testar, individualmente, cada uma das células que possui em seu poder e que irá usar para construir o módulo solar.
Isto porque, depois do módulo construído, descobrir que alguma das células não está em condições, o trabalho de remover essa célula do módulo é grande e corre ainda o risco de danificar as células vizinhas.
Felizmente, testar uma célula é fácil e barato. Basta possuir um multímetro normal, com campos de medida abaixo de 1 Volt e acima dos 10A.
Quando testarmos os módulos completos iremos medir tensões de 16 a 18 V ou mais, e correntes de curto-circuito possivelmente acima dos 2.5 A, dependendo do tamanho do módulo e das condições da luz.
O teste mais simples que nos dá indicações significativas são:
- A corrente de curto-circuito da célula;
- A tensão em circuito aberto sob condições de Sol brilhante.
Mas se o Sol brilhante não estiver disponível na altura do teste podemos até executá-lo com base em iluminação artificial.

Um Simulador Solar Simples

Para testar as células solares dentro de casa, precisamos de um simulador solar, que habitualmente são caros.
Mas podemos ultrapassar o problema duma forma aceitável, usando uma lâmpada projectora EHL standard, daquelas que são usadas nos projectores de slides.
A distância exacta entre a lâmpada e a célula solar depende da lâmpada mas será sempre à volta dos 35 cm.

Um Porta-Células Simples

Para medir as propriedades eléctricas das células solares, é necessário fazermos bons contactos eléctricos quer na parte traseira da célula quer nos dedos situados no lado superior da célula, de forma a que a célula não seja encoberta por nenhuma sombra.
Um porta-células simples pode ser construído para conseguir esse objectivo.
A base é um bocado de contraplacado, com cerca de 15x20 cm, sobre a qual devemos colar, com cimento-cola, um bocado de chapa fina de cobre ou aço galvanizado.
Deverá colocar um par de terminais, que se compram em qualquer loja de produtos electrónicos, e que servirão para ligar as pontas de prova do multímetros à placa de testes.
Para isso, depois de fazer, com um berbequim, um par de pequenos buracos de cerca de 15mm para as hastes desses terminais, faça um furo mais largo na parte traseira do contraplacado , de forma a que cada porca que segura os terminais possa ser apertada de permitir que o contraplacado assente perfeitamente sem altos e baixo, visto que essas mesma porcas ficarão embutida no contraplacado.
É importante que a chapa de cobre se mantenha limpa.
Isto porque queremos que a ligeira pressão do contacto frontal contra os dedos da célula deve ser suficiente para fazer um bom contacto na parte traseira.
Quando encostarmos a ponta de prova aos dedos frontais que constituem o terminal superior da célula, devemos ainda ter o cuidado de não fazer qualquer tipo de sombra sobre a célula.



[continua...]