Como funciona a energia solar: do sol até a sua tomada

A energia solar funciona assim: as placas no telhado transformam a luz do sol em eletricidade em corrente contínua, o inversor converte essa energia em corrente alternada, igual à da tomada, e a casa usa na hora o que precisa. O que sobra vai para a rede da distribuidora e volta como créditos de energia, que abatem o consumo da noite. Não há combustível, peça girando nem barulho: só luz, silício e eletrônica.

Abaixo você acompanha esse caminho etapa por etapa, do fóton que bate na placa até o kWh que aparece na conta de luz, com números de um dia real de geração.

Etapa 1: a luz vira eletricidade dentro da célula

Uma placa solar é formada por dezenas de células de silício, o mesmo material dos chips. Cada célula tem duas camadas de silício tratadas de forma diferente: uma com excesso de elétrons (tipo N) e outra com falta deles (tipo P). Na fronteira entre as duas surge um campo elétrico permanente.

Quando a luz do sol atinge a célula, ela transfere energia para os elétrons do silício e solta alguns deles. O campo elétrico empurra esses elétrons sempre para o mesmo lado. Se você liga um fio entre as duas faces da célula, eles circulam: isso é corrente elétrica. O fenômeno se chama efeito fotovoltaico e foi observado pela primeira vez pelo físico francês Edmond Becquerel em 1839.

Três detalhes práticos saem dessa física:

• A placa gera com luz, não com calor. Calor, aliás, atrapalha: quanto mais quente a célula, menor a tensão que ela entrega.
• A corrente é contínua (CC). Ela flui sempre no mesmo sentido, como a de uma pilha. A casa usa corrente alternada (CA), por isso o sistema precisa de um conversor.
• Cada célula gera pouca tensão. Por isso as células são ligadas em série dentro da placa, e as placas são ligadas em série entre si no telhado.

Por que as placas atuais têm 144 "meias-células"

As placas residenciais de 550 W a 580 W vendidas hoje usam 144 células cortadas ao meio, a tecnologia half-cell. Com células menores, a corrente em cada uma cai pela metade e as perdas por aquecimento nos contatos diminuem. A ficha técnica da Jinko Tiger Neo de 575 W, por exemplo, informa 144 células em uma placa de 2.278 × 1.134 mm, com eficiência de 22,26%. Ou seja, de cada 100 W de luz que chegam à superfície, cerca de 22 W viram eletricidade.

As diferenças entre células monocristalinas, policristalinas, TOPCon e bifaciais são assunto do tema Placas solares. Para entender o funcionamento, basta saber que todas usam o mesmo efeito fotovoltaico.

Etapa 2: o que significa "placa de 550 W"

A potência gravada na placa é medida em laboratório, numa condição padrão chamada STC: luz de 1.000 W por metro quadrado, célula a 25 °C. Essa potência é o watt-pico (Wp). Somando as placas de um telhado, você tem a potência do sistema em kWp. Oito placas de 550 W formam um sistema de 4,4 kWp.

No telhado, a placa quase nunca está na condição de laboratório. De manhã e no fim da tarde a luz é fraca; ao meio-dia a luz é forte, mas a célula esquenta. O efeito do calor aparece na ficha técnica como coeficiente de temperatura. A Canadian Solar CS6W-550MS informa −0,34% por grau acima de 25 °C. Veja o que isso significa num dia quente:

1. Célula a 65 °C, temperatura comum num telhado ensolarado de verão: 65 − 25 = 40 °C acima do padrão.
2. Perda: 40 × 0,34% = 13,6%.
3. Potência naquele instante, mesmo com sol pleno: 550 × (1 − 0,136) = cerca de 475 W.

Placas de tipo N, como a Jinko Tiger Neo e a LONGi Hi-MO 6, informam −0,29%/°C. Na mesma conta, perderiam 11,6%. É uma das razões pelas quais elas aparecem bem colocadas no ranking das melhores placas solares.

Etapa 3: do telhado ao inversor

As placas ligadas em série formam uma fileira, a string. A tensão das placas se soma: dez placas com cerca de 42 V cada, no ponto de máxima potência, chegam a perto de 420 V em corrente contínua. Esses cabos descem do telhado até o inversor, passando por proteções como o DPS (contra surtos de raio) e chaves de desligamento, que podem estar dentro do inversor ou numa string box separada.

O inversor faz três trabalhos:

• Converte CC em CA, na tensão e na frequência da rede (60 Hz no Brasil).
• Procura o ponto de máxima potência. A cada instante a tensão ideal das placas muda com a luz e a temperatura. Um circuito chamado MPPT ajusta a operação para extrair o máximo possível.
• Vigia a rede. Se a distribuidora cortar a energia, o inversor on-grid se desliga em segundos. Essa proteção, o anti-ilhamento, evita mandar energia para um poste onde um eletricista pode estar trabalhando.

Há duas arquiteturas principais. No inversor string, um aparelho central atende todas as placas. No microinversor, cada aparelho fica embaixo de uma a quatro placas e já entrega corrente alternada no telhado. As vantagens de cada um estão no comparativo inversor string ou microinversor.

Etapa 4: dentro de casa, o que acontece com a energia

A saída do inversor é ligada ao quadro de distribuição, como se fosse mais um circuito. A partir daí, a eletricidade segue a lei física mais simples: vai para onde há consumo, pelo caminho mais curto.

• Se a casa consome mais do que as placas geram naquele momento, ela usa toda a energia solar e complementa com energia da rede.
• Se as placas geram mais do que a casa consome, a sobra sai pelo medidor e entra na rede da distribuidora.

Não há chave nem escolha manual. Geladeira, televisão e ar-condicionado não "sabem" de onde vem a energia: ligados durante o dia, usam primeiro a energia do telhado. A energia consumida no mesmo instante em que é gerada se chama autoconsumo instantâneo, e ela é a mais valiosa, porque nem passa pelo medidor.

Etapa 5: o medidor bidirecional e os créditos

Quando o sistema é aprovado pela distribuidora (a homologação), o medidor antigo é trocado por um bidirecional. Ele registra duas coisas separadas no mês:

• a energia que a casa puxou da rede (à noite, em dias nublados, nos picos de consumo);
• a energia que a casa injetou na rede (a sobra do dia).

A energia injetada vira crédito em kWh, que abate a energia puxada. É o sistema de compensação criado pela ANEEL e consolidado na Lei 14.300. Os créditos que sobram em um mês ficam guardados e valem por 60 meses. Como eles se acumulam no verão e são consumidos no inverno está explicado no guia sobre créditos de energia solar.

Duas cobranças continuam na conta mesmo com créditos sobrando:

• o custo de disponibilidade, a taxa mínima equivalente a 30, 50 ou 100 kWh, conforme a ligação seja monofásica, bifásica ou trifásica;
• para quem pediu a ligação depois de janeiro de 2023, uma parte do Fio B sobre a energia que passou pela rede: 60% em 2026, 75% em 2027 e 90% em 2028. O peso disso em reais está no artigo sobre o Fio B na energia solar.

Um dia de geração, hora a hora

Para ver o caminho completo, imagine uma casa com 8 placas de 550 W (4,4 kWp), num dia de céu limpo em uma cidade com 5 horas de sol pleno. A geração segue o desenho de um sino: começa perto das 6h, sobe até o meio-dia e cai até o pôr do sol. Os valores abaixo são uma estimativa ilustrativa desse formato, já considerando perdas de 20%:

Os 18 kWh conferem com a fórmula usada em todo o portal: 4,4 kWp × 5 HSP × 0,8 = 17,6 kWh por dia, ou cerca de 528 kWh por mês de 30 dias. Repare que a potência máxima, 2,6 kW, fica bem abaixo dos 4,4 kWp nominais. É normal: são as perdas por calor, sujeira, cabos e conversão, além do ângulo do sol.

Se essa família consome 500 kWh por mês e usa durante o dia uns 30% do que gera, cerca de 158 kWh são aproveitados na hora e uns 370 kWh vão para a rede, voltando como créditos à noite. A conta de luz cai para perto da taxa mínima, mais a parcela do Fio B.

E quando falta luz, chove ou anoitece?

Três situações confundem quem está começando:

• À noite as placas não geram nada. A casa usa a rede e paga com os créditos do dia. Detalhes em placa solar funciona à noite?
• Em dia nublado a geração cai, mas não zera, porque a luz difusa também produz energia. O assunto tem um artigo próprio: energia solar funciona em dia nublado?
• Na falta de luz da rede, o sistema on-grid comum desliga, mesmo com sol forte, por causa do anti-ilhamento. Para manter a casa ligada é preciso bateria, num sistema híbrido ou off-grid. As diferenças estão em on-grid, off-grid ou híbrido.

Onde entram as baterias

No sistema on-grid, a rede da distribuidora faz o papel de "bateria virtual": recebe a sobra de dia e devolve à noite, em forma de crédito. Por isso a maioria das casas na cidade não tem bateria.

Num sistema com armazenamento, o caminho ganha um desvio: a sobra do dia carrega as baterias primeiro, e só o que passa disso vai para a rede (no híbrido). À noite, a casa consome a bateria antes de puxar da rede. Um inversor híbrido coordena tudo. As químicas usadas hoje, com destaque para o LiFePO4, estão no guia de bateria para energia solar.

Quanto tempo esse caminho dura

As placas não têm peças móveis e perdem desempenho devagar. A Jinko garante a Tiger Neo de 575 W por 30 anos, com perda de 1% no primeiro ano e 0,40% ao ano depois disso, segundo a ficha técnica do modelo. Pela conta, no ano 25 ela ainda entregaria cerca de 89% da potência original. Essa perda gradual é a degradação.

O inversor é a peça eletrônica mais exigida do sistema, e as garantias de fábrica costumam ficar entre 5 e 10 anos nos modelos string. Planejar uma troca ao longo da vida do sistema é prudente. A estrutura de alumínio e os cabos solares acompanham as placas.

Entendido o funcionamento, o passo seguinte é descobrir o tamanho certo para a sua casa. O cálculo completo está em quantas placas solares eu preciso, e outros conceitos básicos estão reunidos no tema Como funciona.