Existem atualmente no mercado três tipos de células fotovoltaicas que são monocristalinas, policristalinas e amorfas.
Também se encontram em fase de desenvolvimento novas tecnologias para comercialização, principalmente de filme fino. Há uma breve descrição das mesmas a seguir.
Células monocristalinas
As células monocristalinas são as mais utilizadas para a fabricação de células solares, atingindo cerca de 60% no mercado. O processo de fabricação funciona da seguinte maneira: primeiro o silício purificado é derretido e cristalizado, a partir de lingotes redondos. Em seguida, é realizado um corte arredondado em bolachas finas, formando células individuais. Suas extremidades são cortadas de forma arredondada, modificando o formato da célula. As células monocristalinas foram as primeiras a serem elaboradas a partir de um bloco de silício cristalizado em um único cristal. As células geralmente possuem a cor azul ou preta e tem um rendimento de 19,1%, obtido em laboratório, e entre 12% e 15% as comerciais [21]. A Figura 2-7 mostra o aspecto visual de este tipo de células.
Figura 2-7. Células monocristalinas [22].
Células policristalinas
As células policristalinas são feitas de silício de pureza inferior e, portanto, possuem um custo mais baixo do que as células monocristalinas, e isso geralmente resulta em um rendimento menor. Os fabricantes de células policristalinas afirmam que as vantagens de custos compensam as perdas da sua eficácia, estas corresponde a cerca de 30% no mercado [23]. A diferença entre a superfície das células monocristalinas e policristalinas
está relacionada com o cristal formado, e as descontinuidades da estrutura molecular dificultam o movimento de elétrons. O seu processo de fabricação é mais barato do que o das células monocristalinas. As células policristalinas conseguem obter um rendimento de 18% em laboratório e entre 10% e 12% na produção [24]. A Figura 2-8 mostra o aspecto visual de uma célula policristalina.
Figura 2-8. Célula policristalinas [22].
Células amorfas
O silício amorfo não possui nenhuma estrutura cristalina, ao contrário das células policristalinas. O silício amorfo é formado por camadas depositadas sobre um suporte de vidro ou outro material sintético. São feitas de vários tamanhos e, geralmente, formam uma célula contínua que ocupa todo o módulo. O principal problema do silício amorfo é que a sua eficiência vai decrescendo entre 5% a 10% após a exposição à luz solar.
Suas aplicações são bens de consumo, como relógios, calculadoras, mas também pode ser utilizado em instalações solares. Apresenta como vantagem o fato de reagir melhor à luz difusa e à luz fluorescente e, portanto, apresenta melhores desempenhos a temperaturas elevadas, pelo fato do fenômeno de transporte eléctrico ativado termicamente [25]. A Figura 2-9 mostra o aspecto visual de uma célula amorfa.
Células de filme fino
As células de filme fino são compostas principalmente por cobre (C), índio (I), gálio (G) e selênio (S), na junção destes elementos são ceradas células tais como CIS, CdTe ou CiGs.
• Silício amorfo (a-Si) • Telureto de cádmio (CdTe)
• Cobre, índio e gálio seleneto (CIS / CIGS)
Apesar de possuírem baixa eficiência, as células de filme fino apresentam-se como uma alternativa promissora ao silício, por serem muito mais resistentes aos efeitos de sombreamento e a temperaturas elevadas. Estas apresentam custos de produção mais baixos. Os painéis solares de CIS, assim como o de a-Si (silício amorfo) e o de CdTe, apresentam rendimentos inferiores ao do silício, mas, em contrapartida, encontram aplicações arquitetônicas diversas, devido às vantagens de utilizarem tecnologias de filmes finos e permitirem a passagem parcial de luz. No caso do CdTe, a pouca abundância dos elementos envolvidos e a sua toxicidade são aspectos que devem ser considerados se esta tecnologia atingir quantidades significativas de produção. O painel solar de CIGS oferece a vantagem de ter uma carga estática baixa, e é capaz de captar a radiação solar direta e indireta, sendo, assim, também apropriada para utilização tanto em telhados planos quanto no inverno. Atualmente atingem entre 13% e 15% de eficiência [26]. A Figura 2-10 mostra o aspecto visual da célula.
Figura 2-10. Célula de filme fino [27].
Na Tabela 1 são apresentadas as eficiências comerciais dos diferentes tipos de tecnologias existente no mercado como monocristalino, policristalina, amorfa e de filme fino [10], [12], [17], [23].
Tabela 1. Eficiência comercial dos diferentes tipos de células fotovoltaicas
Material da célula Solar Eficiência da Célula
Silício monocristalino 11-16%
Silício policristalino 10-14%
Silício Cristalino de filme fino 6-8%
Controlador de carga
Para sistemas autônomos é necessário um controlador, e este funciona como sendo a sua parte principal. O mesmo é utilizado para avaliar as condições desse sistema com fatores importantes como: a tensão e a frequência. A tensão gerada pelo painel deve ser compatível com a tensão da bateria. Comercialmente, as tensões são 12V, 24V ou 48V. Para conseguir carregar a bateria a tensão deve ser maior do que a tensão da mesma. Em uma bateria de 12 V a tensão de carga aproxima-se de 14,4 V, por exemplo. Um painel padrão pode fornecer uma tensão nominal entre 15 V e 18 V, e quando em temperaturas baixas a tensão pode atingir aproximadamente 21V e em circuito aberto 25V, levando ao limite a tensão de carga. Em outro caso, quando a tensão é menor do que 12V a bateria pode se descarregar pelo painel, sendo capaz de danificá-la em ambos casos, por sobre tensão ou tensão baixa. Além disso devem se observar outras propriedades diferentes nas baterias, como: temperatura, tempo de vida útil da bateria, profundidade de descarga, entre outros. Por estes motivos, a importância do controlador.
O mercado atual fornece dois tipos de controladores com tecnologias envolvidas como o PWM (Pulse-Width Modulation) e MPPT (Maximum Power Point Tracking).
Os controladores de carga PWM são, em essência, um interruptor que atua entre os painéis e a bateria e sua função é reduzir a tensão dos painéis para a tensão de carga da bateria afim de garantir que a bateria esteja devidamente carregada. Ou seja, eles bloqueiam a tensão do painel solar para a tensão da bateria, sem causar alteração na corrente. Devido à natureza do mecanismo de trabalho, os controladores de carga PWM não podem utilizar a potência máxima produzida pelo sistema fotovoltaico e, portanto, sua eficiência é baixa, em torno de 80%. A Figura 2-11 mostra um controlador de carga PWM.
Figura 2-11. Controlador de Carga PWM [28].
O controlador MPPT é mais sofisticado, e por este motivo apresenta um custo mais elevado. Ele é responsável por ajustar a tensão de entrada para que se possa alcançar a potência máxima do painel e depois transformar essa energia, afim de se obter a demanda de tensão variável da bateria. Assim, ele desacopla essencialmente a matriz e as tensões da bateria, de modo que pode haver, por exemplo, uma bateria de 12 volts em um lado do controlador de carga MPPT e um grande número de painéis conectadas em série para produzir 36V no outro. O desempenho aumenta substancialmente (10% a 40%), quando a temperatura da célula solar é baixa (abaixo de 45 ° C), ou muito alta (acima de 75 ° C), ou quando a irradiação é muito baixa, portanto, sua eficiência é em
torno de 95% a 99% [29]. Portanto, as principais funções do controlador são: proteção de sobrecargas, prevenção de descargas indesejáveis, otimizar a carga da bateria, proteção de descargas profundas e informação do estado de carga. O controlador de carga PWM é utilizado em sistemas de pequeno porte de até 500W, e as temperaturas nos painéis oscilam entre 45°C a 75°C, dando uma solução econômica. No caso do MPPT, o controlador pode ser utilizado em sistemas maiores de 500W, e os painéis liberam uma tensão maior do que o fornecido pela bateria, e são responsáveis por uma melhoria na eficiência do sistema onde as temperaturas estão fora do limite 45°C a 75°C, ou é baixa a irradiância. Mostra-se um controlador de carga MPPT na Figura 2-12.
Figura 2-12. Controlador de carga MPPT [30].
Na Figura 2-13 mostra-se o gráfico da intensidade em função da tensão, apresentando a comparativas da potência do controlador PWM e MPPT.
Figura 2-13. Gráfico I-V dos controladores de carga PWM e MPPT.
Existem diferentes métodos de controle MPPT, e os mais utilizados são os dependentes dos modelos das células, chamados Off-Line. A técnica escolhida se chama OCV, foi selecionada por ser um método direto, já que gera um sinal de controle, mediante o conhecimento de um o mais parâmetros do painel solar. O modelo mostrado expressa a relação entre a tensão de circuito aberto (Voc) e a tensão MPP para qualquer célula sobre diferentes condições climáticas. Este sinal faz com que o painel possa obter o MPP, deste que o mesmo permaneça constante e as condições ambientais possam ser consideradas fixas e não se considera regular a potência de saída do sistema fotovoltaico. De acordo com [31] pode ser modelado o sistema mediante as equações:
𝑉𝑉𝑀𝑃𝑃 = 𝑘 ∗ 𝑉𝑉𝑂𝐶 (2.7)
Onde:
• k= varia entre 0.73 a 0.80, é a derivada empírica de vários VOC e VMPP em diferentes condições climáticas, no caso especifico tomamos 0.80.
Cálculo da eficiência mediante a Equação (2.8): 𝜂 = �𝑃𝑚𝑎𝑥.𝑆𝑒𝑔𝑢𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑃𝑚𝑎𝑥 � ∗ 100 (2.8)
Onde:
• Ƞ= eficiência do método de rastreamento; • Pmax. Seguimento= potência máxima do MPP; • Pmax= potência máxima do painel.
O MPP real é definido pela matriz derivada da Equação (2.9)
𝑃𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑉𝑀𝑃𝑃∗ 𝑁𝑜𝑜. 𝑚𝑚𝑜𝑜𝑑𝑑𝑢𝑢𝑙𝑙𝑜𝑜𝑠𝑠 𝑒𝑒𝑚𝑚 𝑠𝑠𝑒𝑒𝑟𝑟𝑖𝑖𝑒𝑒 ∗ 𝐼𝑀𝑃𝑃∗ 𝑁𝑜𝑜. 𝑚𝑚𝑜𝑜𝑑𝑑𝑢𝑢𝑙𝑙𝑜𝑜𝑠𝑠 𝑒𝑒𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑎𝑎𝑟𝑟𝑎𝑎𝑙𝑙𝑒𝑒𝑙𝑙𝑜𝑜 (2.9)
Onde:
• VMPP= tensão da célula no MPP; • IMMP=corrente da célula no MPP.