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II - Dispositivos

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I - Introdução
II - Dispositivos
III- Conceitos eléctricos
IV- Curvas características
V - Configuração
VI - Dimensionamento
VII - Ligações
VIII - Instalação/Manut.

II- Composição física e fabricação dos dispositivos fotovoltaicos

Efeito fotovoltaico:
Os módulos são compostos de células solares de silício. Elas são semicondutoras de electricidade porque o silício é um material com características intermédias entre um condutor e um isolante.

O silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui electrões livres e portanto é um mau condutor eléctrico. Para alterar isto acrescentam-se percentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com electrões livres ou material com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invés de fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, défice de electrões ou material com cargas positivas livres (silício tipo P).

Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P (ver Figura 2).

Separadamente, ambas as capas são electricamente neutras. Mas ao serem unidas, exactamente na união P-N, gera-se um campo eléctrico devido aos electrões do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P.


Figura 2

Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fotões que a integram chocam-se com os electrões da estrutura do silício dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo eléctrico gerado na união P-N, os electrões são orientados e fluem da camada "P" para a camada "N".

Por meio de um condutor externo, conecta-se a camada negativa à positiva. Gera-se assim um fluxo de electrões (corrente eléctrica) na conexão. Enquanto a luz continue a incidir na célula, o fluxo de electrões manter-se-á.

A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente.

Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Como se viu anteriormente, ao unir-se a camada negativa de uma célula com a positiva da seguinte, os electrões fluem através dos condutores de uma célula para a outra. Este fluxo repete-se até chegar à última célula do módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria.

Cada electrão que abandona o módulo é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexão entre módulo e bateria contem o fluxo, de modo que quando um electrão abandona a última célula do módulo e encaminha-se para a bateria outro electrão entra na primeira célula a partir da bateria.

É por isso que se considera inesgotável um dispositivo fotovoltaico. Produz energia eléctrica em resposta à energia luminosa que entra no mesmo.

Deve-se esclarecer que uma célula fotovoltaica não pode armazenar energia eléctrica.

Tipos de células:
Existem três tipos de células, conforme o método de fabricação.

bulletSilício monocristalino: Estas células obtêm-se a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas quadradas finas (0,4-0,5 mm de espessura). A sua eficiência na conversão de luz solar em electricidade é superior a 12%.
bulletSilício policristinalino: Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de bocados de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz solar em electricidade é ligeiramente menor do que nas de silício monocristalino.
bulletSilício amorfo: Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal. Sua eficiência na conversão de luz solar em electricidade varia entre 5% e 7%.

Fabricação dos módulos fotovoltaicos:

O módulo fotovoltaico é composto por células individuais conectadas em série. Este tipo de conexão permite adicionar tensões. A tensão nominal do módulo será igual ao produto do número de células que o compõem pela tensão de cada célula (aprox. 0,5 volts). Geralmente produzem-se módulos formados por 30, 32, 33 e 36 células em série, conforme a aplicação requerida.

Procura-se dar ao módulo rigidez na sua estrutura, isolamento eléctrico e resistência aos factores climáticos. Por isso, as células conectadas em série são encapsuladas num plástico elástico (Etilvinilacelato) que faz também o papel de isolante eléctrico, um vidro temperado com baixo conteúdo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plástica multi-camada (Poliéster) na face posterior. Em alguns casos o vidro é substituído por uma lamina de material plástico transparente.

O módulo tem uma moldura composta de alumínio ou poliuretano e caixas de conexões às quais chegam os terminais positivo e negativo da série de células. Nos bornes das caixas conectam-se os cabos que ligam o módulo ao sistema.

Etapas do processo de fabricação do módulo:

bulletEnsaio eléctrico e classificação das células
bulletInterconexão eléctrica das células
bulletMontagem do conjunto. Colocação das células soldadas entre camadas de plástico encapsulante e laminas de vidro e plástico
bulletLaminação do módulo. O conjunto é processado numa máquina semi-automática a alto vácuo que, por um processo de aquecimento e pressão mecânica, conforma o laminado.
bulletCuragem. O laminado processa-se num forno com temperatura controlada no qual completa-se a polimerização do plástico encapsulante e alcança-se a adesão perfeita dos diferentes componentes. O conjunto, depois da curagem, constitui uma única peça.
bulletEmolduração. Coloca-se primeiramente um selante elástico em todo o perímetro do laminado e a seguir os perfis de alumínio que formam a moldura. Usam-se máquinas pneumáticas para conseguir a pressão adequada. As molduras de poliuretano são colocadas por meio de máquinas de injecção.
bulletColocação de terminais, bornes, díodos e caixas de conexões
bulletEnsaio final

Ensaio dos módulos
Sobre os módulos deve medir-se e observar-se:

bulletCaracterísticas eléctricas operacionais
bulletIsolamento eléctrico (a 3000 Volt de C.C.)
bulletAspectos físicos, defeitos de acabamento, etc
bulletResistência ao impacto
bulletResistência à tracção das conexões
bulletResistência à névoa salina e à humidade ambiente
bulletComportamento a temperatura elevadas por períodos prolongados (100 graus Celsius durante 20 dias)
bulletEstabilidade às mudanças térmicas (de -40º C a +90º C) em ciclos sucessivos

 

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Última actualização: 11/03/02.