Painéis solares fotovoltaicos, também chamados de placas solares fotovoltaicas, são dispositivos utilizados para converter a energia da luz do Sol em energia elétrica. Os painéis solares fotovoltaicos são compostos por células solares, assim designadas já que captam, em geral, a luz solar. Estas células são, por vezes, e com maior propriedade, chamadas de células fotovoltaicas, ou seja, criam uma diferença de potencial elétrico por ação da luz (seja do Sol ou da sua casa). As células solares contam com o efeito fotovoltaico para absorver a energia do sol e fazem a corrente elétrica fluir entre duas camadas com cargas opostas.http://www.ceeeta.pt/downloads/pdf/Solar.pdf
Atualmente, os custos associados aos painéis solares, que são muito caros, tornam esta opção ainda pouco eficiente e rentável. O aumento do custo dos combustíveis fósseis e a experiência adquirida na produção de célula solares, que tem vindo a reduzir o custo destas células, indica que este tipo de energia será tendencialmente mais utilizado.
Teoria e construção
direita|thumb|200px| Uma célula fotovoltaica. O silício cristalino e o arsenieto de gálio são os materiais mais frequentemente utilizados na produção de células solares. Os cristais de arsenieto de gálio são produzidos especialmente para usos fotovoltaicos, mas os cristais de silício tornam-se uma opção mais econômica, até porque são também produzidos com vista à sua utilização na indústria da microeletrónica. O silício policristalino tem uma percentagem de conversão menor, mas comporta custos reduzidos.
Quando expostos à luz direta de 1 AU, uma célula de silício de 6 centímetros de diâmetro pode produzir uma corrente de 0,5 ampere a 0,5 volt, ou seja, cerca de 0.25 watts. O arsenito de gálio é mais eficiente.
O cristal, depois de crescido e dopado com boro, é cortado em pequenos discos, que são polidos para regularizar a superfície. A superfície frontal é dopada com fósforo e condutores metálicos são depositados em cada superfície: um contacto em forma de pente na superfície voltada para o Sol e um contacto extenso no outro lado. Os painéis solares são construídos dessas células cortadas em formas apropriadas, protegidas da radiação e de danos ao manusear por meio da aplicação de uma capa de vidro e cimentada num substrato (seja um painel rígido ou um flexível). As conexões elétricas são feitas em série e em paralelo, conforme se queiram obter maior tensão ou intensidade. A capa que protege deve ser um condutor térmico, pois a célula aquece ao absorver a energia infravermelha do Sol, que não é convertida em energia elétrica. Como o aquecimento da célula reduz a eficiência de operação é desejável reduzir este calor. O resultante desta construção é chamado painel solar.
Um painel solar é um conjunto de células solares. Apesar de cada célula solar fornecer uma quantia relativamente pequena de energia, um conjunto de células solares espalhadas numa grande área pode gerar uma quantidade de energia suficiente para ser útil. Para receber maior quantia de energia, os painéis solares devem estar direcionados para o Sol.
Painéis solares de baixo custo thumb|300px|Painel Solar. Existem diversas iniciativas ao redor do mundo para a produção de placas solares de baixo custo utilizando materiais mais comuns. Um delas é a do World Community Grid, que é um dos braços tecnológicos da Universidade de Harvard nos Estados Unidos da América. Este braço tecnológico trabalha utilizando um software chamado BOINC, que utiliza do processamento computacional compartilhado com voluntários via internet construindo, desta maneira, um supercomputador público para pesquisas científicas utilizando o processamento ocioso do computador para executar o processamento dos projetos do qual o voluntário optou por participar. Existem vários projetos oficialmente suportados.
Um dos projetos desenvolvidos pela Universidade é o The Clean Energy Project que procura as melhores moléculas orgânicas simuladas em ambiente virtual para a produção de painéis solares de baixo custo. Neste projeto, os computadores dos voluntários não faziam apenas cálculos computacionais para descobrir as mais promissoras moléculas fotovoltaicas, mas também faziam cálculos que indicavam qual é o melhor procedimento de fabricação de tais moléculas. Além do que, as simulações eram feitas por meio de átomos facilmente encontrados na natureza, sem a simulação de elementos caros que as células solares costumam ter, para se ter custos baixíssimos em seu fabrico, dando origem a resultados de moléculas orgânicas fotovoltáicas.
Depois de anos de processamento computacional compartilhado, foram disponibilizadas em 24 de junho de 2013 os resultados das moléculas no site http://www.molecularspace.org/ em domínio público. São mais de 20.000 promissoras moléculas processadas. Entre os resultados, foi divulgado que há diversas moléculas com índice de conversão de luz solar em energia elétrica de 10% e algumas com conversão superior a 13%.
Ainda de acordo com o The Clean Energy Project, eles estão desenvolvendo algoritmos genéticos para que as melhores moléculas até então descobertas possam ser aperfeiçoadas por este algoritmo, que utiliza o mesmo princípio da seleção natural biológica, criando novas versões destas moléculas que podem resultar em gerações de moléculas mais eficientes que as anteriores.
Com o desenvolvimento deste trabalho e a primeira disponibilização gratuita sem patentes em domínio público da composição molecular e do processo de fabrico, se espera que os painéis solares sejam, com o tempo, mais viáveis economicamente para fabricação em larga escala pela indústria e até mesmo para as pessoas por meio de tintas fotovoltaicas cujo custo se estima ser o mesmo de 1 metro quadrado de tinta comum.
Operação e ciclo de vida
Ao planear uma instalação fotovoltaica, tem-se em conta a sua vida útil: inquéritos do setor mostram que o prazo de vida útil estimado de grandes usinas solares aumentou para cerca de 32,5 anos, e as estimativas aplicadas normalmente variam de 25 a mais de 35 anos. Mesmo módulos em bom estado perdem gradualmente rendimento: uma revisão de quase dois mil medições mostrou uma redução mediana de potência de cerca de 0,5% ao ano.
Para transferir a produção diurna para as horas noturnas é necessário um sistema de armazenamento; num guia mantido para o mercado britânico, o custo de baterias solares domésticas é indicado entre menos de 2 000 a 6 000 libras, dependendo da marca, capacidade, tipo e vida útil. A eletrónica de potência pode necessitar de substituição antes dos módulos: a vida útil típica de um inversor solar doméstico é estimada em cerca de 12 anos. A produção também é afetada pela sujidade na superfície: um coeficiente de sujidade de 0,95 corresponde a uma perda anual de energia de aproximadamente 5%.
O resultado económico depende do aproveitamento do excedente de geração. No Reino Unido, o mecanismo Smart Export Guarantee obriga os fornecedores participantes a pagar, conforme os requisitos, aos pequenos geradores pela eletricidade exportada para a rede. Os sistemas de armazenamento também são componentes substituíveis: a sua vida útil típica é de cerca de 10–12 anos e normalmente é mais curta do que a dos painéis.
Após a desativação, é possível a reutilização, o reparo ou a reciclagem. O reparo de defeitos individuais dos módulos é tecnicamente possível, mas frequentemente trabalhoso, caro e de difícil escalabilidade. Para módulos de silício, o principal método comercial continua a ser a reciclagem mecânica, enquanto a combinação de processos térmicos e químicos aumenta a recuperação e a pureza do silício, da prata e de outros metais.
Produção mundial de energia solar thumb|350px|Radiância solar média (W/m²). Nota que este valor corresponde a uma superfície horizontal. Os painéis solares são normalmente dispostos obliquamente, recebendo assim, mais energia. Os pontos negros representam a área necessária para satisfazer as necessidades de energia primária do mundo inteiro.
Estima-se que o total da potência de pico instalada em painéis solares tenha sido da ordem dos 8 GWp (gigawatts-pico) A tabela seguinte compara a capacidade instalada total com a instalada só em 2007. O total de instalações ligadas à rede elétrica estão separadas das instalações isoladas. A tabela também mostra a capacidade instalada per capita, assim como o preço por watt-pico e o valor pago pelos estados como incentivo à produção de eletricidade a partir de energia solar. A chamada insolação é uma medida do rendimento do painel — por cada kWp pico instalado, quantos kWh são produzidos num ano. Este valor depende de vários fatores controláveis como a orientação do painel em relação ao Sol e o material com que o painel é feito. O número de horas de sol por dia é um fator bastante importante e não se pode controlar.
+ Capacidade instalada de potência fotovoltaica no fim de 2007 País ou região **** Fora da rede (MWp) Ligado à rede (MWp) Total (MWp) Wp/capitaTotal Preço€/Wp kW·h/kWp·yrInsolação Incentivocêntimos/kW·h Mundo 2007Total127,9662,32130717822587841 2,5–11,2 800–2902 0–652007351100113546.84,0–5.3 51,8–56,8Total3538273862 20071,562208,8210,4 15 2,96 terminou em 2005Total90,1518291919 200755151,5206,5 2,82,98900–21501,2–31,04Total325505,5830,5 20072249051215,1 1600–220018,38–44,04Total29,8625,2655 20070,369,970,22,13,2–3,6 1400–220036,0–49,0Total13,1107,1120,2 20075,916,2812,194,14,5–5,4 0–26,4Total66,4516,0482,49 2007042,8742,871,6 Total594371,6677,60 20070,99330,3131,301,2 Total22,5552,6875,23 20070,5821,0231,6053.3 Total5,34853,320070,26,36,54,9 Total3,632,636,2 20070,0552,0612,1163.4 Total3,22424,4827,70 20073,8881,4035,2910.8 Total22,862,91125,78 20070,8690,151,0190.2 Não temTotal20,450,320,75 20070,163,653,810.3 Total1,4716,6218,09 20070,214,2514,451.76,3-11,4 65Total2,84115,0317,87
Grandes instalações solares
thumb|300px|direita|<center>Central Fotovoltaica Hércules em Moura.<center> O número e dimensão das centrais solares fotovoltaicas têm aumentado substancialmente nos últimos anos, especialmente na Espanha, onde localizam 40 das 50 maiores centrais.
+ As maiores instalações solares do mundo Posição Potência de PicoDC Localização Descrição Energia produzida 169,6 MWPuertollano, Espanha400 000 módulos consumo de 39 000 lares 2 60 MW Olmedilla, Espanha270 000 módulos85 GWh/ano 346,4 MW Amareleja, Portugal 262 080 módulos93 GWh/ano 440 MWBrandis, Alemanha550 000 módulos (em construção)40 GWh/ano 534 MWArnedo, Espanha172 000 módulos44 GWh/ano
Aplicações thumb|200px|Uma "árvore" fotovoltaica na Áustria.
Painéis solares no espaço thumb|300px|direita|Visão da Estação Espacial Internacional e seus painéis solares. Provavelmente o uso mais bem sucedido de painéis solares é em veículos espaciais, incluindo a maioria das naves que orbitam a Terra e Marte, e naves viajando rumo a regiões mais internas do sistema solarhttp://science.nasa.gov/headlines/y2002/08jan_sunshine.htm. Nas regiões mais afastadas do Sol, a luz é muito fraca para produzir energia o suficiente e, por isso, são utilizados geradores termoelétricos de radioisótopos .
Alguns pesquisadores estão a desenvolver satélites de energia solar: plantas solares espaciais — satélites com um grande número de células fotovoltaicas que iriam enviar a energia captada para a Terra usando microondas ou lasers. As agências espaciais Japonesa e Europeia têm anunciado plano de desenvolver este tipo de plantas no primeiro quartel do século XXI.