Parâmetros de Células Solares e Características de Painéis FV: Guia Completo

Parâmetros e Características de uma Célula Fotovoltaica

O que é Exatamente uma Célula Fotovoltaica Solar?

Uma célula solar é um dispositivo semicondutor que pode converter radiação solar em eletricidade. Sua capacidade de converter luz solar em eletricidade sem uma conversão intermediária a torna única para aproveitar a energia solar disponível em eletricidade útil. É por isso que são chamadas de células fotovoltaicas solares. A Fig. 1 mostra uma célula solar típica.

Vários fatores governam a eletricidade gerada por uma célula solar, tais como:

• A intensidade da luz: Maior luz solar incidindo na célula, maior a eletricidade gerada pela célula.
• Área da célula: Ao aumentar a área da célula, a corrente gerada pela célula também aumenta.
• O ângulo de incidência: Se a luz incidindo na célula for perpendicular à sua superfície, a potência gerada por ela é ótima. Idealmente, o ângulo deve ser 90°, mas praticamente deve ser o mais próximo possível de 90°.

A célula solar é um dispositivo de dois terminais. Um é positivo (ânodo) e o outro é negativo (cátodo). Um arranjo de células solares é conhecido como módulo solar ou painel solar, onde o arranjo de painéis solares é conhecido como array fotovoltaico.

Funcionamento de uma Célula Solar

A luz solar é um grupo de fótons com uma quantidade finita de energia. Para a geração de eletricidade pela célula, ela deve absorver a energia do fóton. A absorção depende da energia do fóton e da energia de banda proibida do material semicondutor solar e é expressa em elétron-volt (eV).

Os fótons são absorvidos pelo material semicondutor, resultando na geração de pares elétron-buraco, onde elétrons são carga negativa e buracos são carga positiva. Quando uma carga é conectada, há uma separação de elétrons e buracos na junção, os buracos movem-se para o lado do ânodo e os elétrons para o lado do cátodo.

Assim, a separação destas duas cargas cria uma diferença de potencial elétrico e obtemos uma tensão nos terminais da célula. Esta tensão é usada para impulsionar a corrente no circuito.

Parâmetros da Célula Solar

A conversão de luz solar em eletricidade é determinada por vários parâmetros de uma célula solar. Para entender estes parâmetros, precisamos olhar para a Curva I-V como mostrado na figura 2 abaixo. A curva foi plotada com base nos dados da tabela 1.

Tabela 1

Amperes	Volts	Watts
0	VOC = 11,4	0
0,2	11,06	2,21
0,4	10,59	4,24
0,5	10,24	5,12
0,6	9,54	5,72
0,61	9,39	5,73
IM = 0,62	VM = 9,27	PM = 5,75
0,63	9,08	5,72
0,64	8,72	5,58
ISC = 0,65	0	0

Os parâmetros da célula são fornecidos pelos fabricantes nas CEP (Condições Padrão de Ensaios). Sob CEP, a radiação solar correspondente é igual a 1000 W/m² e a temperatura de operação da célula é igual a 25°C. Os parâmetros da célula solar são os seguintes:

Corrente de Curto-Circuito (I_SC):

A corrente de curto-circuito é a corrente máxima produzida pela célula solar, medida em ampere (A) ou miliampere (mA). Como pode ser visto na tabela 1 e figura 2, a tensão de circuito aberto é zero quando a célula está produzindo corrente máxima (I_SC = 0,65 A).

O valor da corrente de curto-circuito depende da área da célula, radiação solar incidindo na célula, tecnologia da célula, etc. Às vezes, os fabricantes fornecem a densidade de corrente em vez do valor da corrente. A densidade de corrente é denotada por "J" e a densidade de corrente de curto-circuito é denotada por "J_SC". A densidade de corrente de curto-circuito é obtida dividindo a corrente de curto-circuito pela área das células solares:

J_SC = I_SC / A

Vamos tomar um exemplo: uma célula solar tem densidade de corrente de 40 mA/cm² nas CEP e área de 200 cm². Então a corrente de curto-circuito pode ser determinada como segue:

I_SC = Jsc × Área = 40 mA/cm² × 200 cm² = 8000 mA = 8 A

Tensão de Circuito Aberto (V_OC):

A tensão de circuito aberto é a tensão máxima que a célula pode produzir sob condições de circuito aberto. É medida em volt (V) ou milivolt (mV). Como pode ser visto na tabela 1 e figura 2, a corrente de curto-circuito é igual a zero quando a célula produz tensão máxima. O valor de V_OC depende da tecnologia da célula e da temperatura de operação da célula.

Ponto de Potência Máxima (P_M):

O ponto de potência máxima representa a potência máxima que uma célula solar pode produzir nas CEP (ou seja, radiação solar de 1000 W/m² e temperatura de operação da célula de 25°C). É medida em W_pico ou simplesmente W_p. Fora das CEP, a célula solar tem P_M em diferentes valores de radiação e temperatura de operação da célula.

A célula pode operar em diferentes combinações de corrente e tensão. Mas só pode produzir potência máxima P_M em uma combinação particular de tensão e corrente. Como mostrado na figura 2, o ponto de potência máxima está no "joelho" da curva I-V e é o produto de I_M e V_M:

P_M = I_M × V_M = 0,62 × 9,27 = 5,75 W_p

Corrente no Ponto de Potência Máxima (I_M):

Representa a corrente que a célula solar produzirá quando operando no ponto de potência máxima. É denotada por I_M e pode ser vista na figura 2 que seu valor é sempre menor que a corrente de curto-circuito (I_SC). É medida em ampere (A) ou miliampere (mA).

Tensão no Ponto de Potência Máxima (V_M):

Representa a tensão que a célula solar produzirá quando operando no ponto de potência máxima. É denotada por V_M e pode ser vista na figura 2 que seu valor é sempre menor que a tensão de circuito aberto (V_OC). É medida em volts (V) ou milivolts (mV).

Fator de Preenchimento (FF):

Representa a área coberta pelo retângulo I_M-V_M com a área coberta pelo retângulo I_SC-V_OC como linhas pontilhadas na figura 2. O fator de preenchimento representa a "quadratura" da curva I-V. É representado em porcentagem (%), quanto maior o fator de preenchimento em porcentagem, melhor é a célula.

FF = P_M / (I_SC × V_OC)

Com base nos dados da tabela 1 e figura 2, podemos determinar o fator de preenchimento como segue:

FF = [5,75 / (0,65 × 11,4)] × 100 = 77,59%

Representado em porcentagem multiplicando por 100.

Eficiência (η):

• A eficiência de uma célula solar é definida como a potência de saída máxima (P_M) dividida pela potência de entrada (P_IN). É medida em porcentagem (%), que indica que esta porcentagem da potência da luz solar de entrada é convertida em potência elétrica. A potência de entrada é densidade de potência. Portanto, para calcular a eficiência, multiplique P_IN nas CEP pela área. A eficiência pode ser calculada da seguinte forma:

η = P_M / (P_IN × Área)

Se a área dada da célula é 0,01 m², P_M = 5,75 W_p, então a eficiência nas condições padrão de ensaio pode ser dada como:

η = [5,75 W_p / (1000 W/m² × 0,01 m²)] = 57,5%

Representado em porcentagem multiplicando por 100.

Tecnologias Fotovoltaicas

Uma grande variedade de células solares está disponível no mercado. O nome da tecnologia da célula solar depende do material usado nessa tecnologia. Portanto, diferentes células têm diferentes parâmetros de célula, como densidade de corrente de curto-circuito, eficiência, tensão de circuito aberto, fator de preenchimento, etc. A tabela 2 a seguir mostra a lista de células comercialmente disponíveis e sua faixa de valores de parâmetros.

Tabela 2

Tipo de Célula	Eficiência (%)	Tensão de Circuito Aberto (V)	Densidade de Corrente (mA/cm²)	Área da Célula (cm²)	Fator de Preenchimento (FF)
Silício monocristalino	14 – 17	0,55 – 0,68	30 – 38	5 – 156	70 – 78
Silício multicristalino	14 – 16	0,55 – 0,65	30 – 35	5 – 156	70 – 76
Si Amorfo	6 – 9	0,70 – 1,1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
Telureto de cádmio	8 – 11	0,80 – 1,0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
Cobre-índio-gálio-selênio	8 – 11	0,50 – 0,7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
Arseneto de gálio	30 – 35	1,0 – 2,5	15 – 35	1 – 4	70 – 85

Fatores que Afetam a Potência Gerada pelas Células Solares

Eficiência de Conversão (η):

Nem toda a luz incidindo na célula solar é convertida em energia elétrica. A eficiência de conversão refere-se à razão entre a energia elétrica gerada e a energia de luz de entrada. Não podemos alterar a eficiência da célula, baseada no processo de fabricação e no material usado nela e seu valor permanece fixo.

A potência máxima da célula solar P_M depende da tensão que ela desenvolve nos terminais da célula e da corrente que pode fornecer. A área da célula é um dos fatores importantes que afetam a potência de saída desenvolvida pela célula. O valor da potência de saída pode ser determinado para uma dada potência de entrada em (W/m²), eficiência de conversão da célula em (%), e área da célula em (m²).

A eficiência da célula solar é dada nas CEP e a potência de entrada (P_IN) é tomada como 1000 W/m². Assim, usando a fórmula abaixo, podemos determinar a potência de saída gerada para diferentes eficiências.

P_M = (P_IN × Área) × η

Digamos que temos que calcular a potência de saída nas CEP com eficiências de 30% e 25% e área de 0,01 m². Assim, para eficiência de 30%, obtemos:

P_M = (1000 W/m² × 0,01 m²) × 0,30 = 3 W_p

E para eficiência de 25%, obtemos:

P_M = (1000 W/m² × 0,01 m²) × 0,25 = 2,5 W_p

Quantidade de Luz de Entrada:

A intensidade da luz incidindo na célula continua mudando ao longo do dia. Dependendo da luz incidindo na célula, a corrente e tensão da célula mudam. A corrente gerada pela célula é diretamente dependente da luz incidindo nela.

Da manhã até a tarde, a luz incidindo na célula aumenta, logo a corrente gerada pela célula também aumenta. Da tarde até o pôr do sol, a luz incidindo na célula diminui, logo a corrente gerada pela célula também diminui. Não há grande variação na tensão de saída da célula, pois ela não é afetada pela variação da luz solar.

Digamos que temos que calcular a potência de saída para uma célula com área de 0,01 m² para potência de entrada de 1000 W/m² e 800 W/m² com eficiência de 25%. Assim, para potência de entrada de 1000 W/m², obtemos a potência de saída como segue:

P_M = (1000 W/m² × 0,01 m²) × 0,25 = 2,5 W_p

E para potência de entrada de 800 W/m²:

P_M = (800 W/m² × 0,01 m²) × 0,25 = 2 W_p

Como podemos ver, há uma diminuição na potência de saída devido à diminuição na potência de entrada. Assim, a quantidade de potência gerada pela célula é proporcional à luz solar.

Área da Célula:

A corrente de curto-circuito da célula solar depende da área da célula. A corrente de saída é diretamente proporcional à área da célula. Maior a área da célula, maior a quantidade de corrente gerada e vice-versa. Por exemplo, uma área de 200 cm² produzirá 2 A de corrente e uma área de 200 cm² produzirá 4 A de corrente para a mesma irradiação de 1000 W/m².

Como vimos antes, a densidade de corrente é obtida dividindo a corrente pela área da célula. A densidade de corrente (J_SC) é fixa para uma dada intensidade de luz solar e não depende da área. Vamos tomar um exemplo onde temos que calcular a corrente de saída da célula solar com área de 20 cm² e 50 cm².

Tendo uma densidade de corrente constante de 35 mA/m². A corrente de saída para 20 cm² pode ser calculada da seguinte forma:

I_SC = J_SC × Área = 35 mA/m² × 20 cm² = 0,70 A

A corrente de saída para 50 cm² pode ser calculada da seguinte forma:

I_SC = J_SC × Área = 35 mA/m² × 50 cm² = 1,75 A

Assim, do cálculo acima, fica claro que quanto maior a área da célula, maior o valor da corrente e menor a área da célula, menor o valor da corrente.

Ângulo da Luz (θ):

A célula solar produz potência de saída máxima para determinada luz solar quando o ângulo da luz e da célula são perpendiculares entre si (ou seja, 90°) como mostrado na figura 3. Quando o ângulo de incidência da luz é menor ou maior que 90°, como mostrado na figura 3, ela produzirá potência de saída menor que a capacidade máxima de potência de saída da célula.

Quando a luz incide em um ângulo maior ou menor que 90°, alguma parte da luz é refletida, e a luz utilizada pela célula é menor que a realmente incidindo sobre ela. Isso resulta em uma redução da potência de saída gerada pela célula. É por esta razão que devemos instalar a célula solar em um ângulo perpendicular à luz incidente para gerar a máxima eletricidade possível.

Temperatura de Operação (T):

Os fabricantes fornecem a tensão, corrente e classificação de potência da célula nas CEP com irradiação de 1000 W/m² e temperatura de 25°C. Mas na prática, a temperatura da célula solar varia devido à temperatura ambiente e, além disso, as células são encapsuladas em vidro, o que faz com que a temperatura da célula solar aumente ainda mais.

Esta mudança de temperatura afeta a tensão, potência e eficiência da célula. O aumento da temperatura da célula acima das CEP reduz a saída destes parâmetros. A diminuição destes parâmetros difere para diferentes células solares disponíveis no mercado.

Vamos tomar um exemplo para entender a diminuição em um dos parâmetros (ou seja, tensão). Uma célula tem tensão de saída de 0,9 V nas CEP. A temperatura de operação da célula é 50°C. A tensão de saída da célula diminui em 2,1 mV/°C. Qual pode ser o novo valor da tensão de saída?

ΔT = T_atual – T_padrão = 50 – 25 = 25°C

Tensão de saída reduzida = Tensão de circuito aberto (V_OC) nas CEP – (Diminuição da tensão × ΔT) = 0,9 – (2,1 × 10^-3 × 25) = 0,84 V

Do cálculo acima, pode-se concluir que há uma diminuição na tensão de saída se a temperatura subir acima das CEP (ou seja, acima de 25°C).

Conclusão

É devido ao desenvolvimento na tecnologia de semicondutores que podemos converter a abundante luz solar em eletricidade. Neste artigo, estudamos o funcionamento da célula solar, diferentes tipos de células, seus vários parâmetros como tensão de circuito aberto, corrente de curto-circuito, etc., que nos ajudam a entender as características da célula. Os fatores que afetam a potência gerada pela célula também foram estudados, incluindo eficiência de conversão de potência, quantidade de luz de entrada, área da célula, etc., que afetam o desempenho e nos ajudam a entender o comportamento da célula sob diferentes cenários. Com a compreensão da tecnologia de células solares, podemos utilizá-la da melhor forma possível para atender às nossas necessidades energéticas diárias.