CASA LABORATÓRIO DE ENERGIA PHOTOVOLTAICA, EXPERIÊNCIAS EM ANGOLA

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1 CASA LABORATÓRIO DE ENERGIA PHOTOVOLTAICA, EXPERIÊNCIAS EM ANGOLA SISTEMA FOTOVOLTÁICO E SISTEMA AVANÇADO DE MONITORIZAÇÃO E ANÁLISE INTEGRADA DE VARIÁVEIS AMBIENTAIS E ELÉCTRICAS By: MATEUS MANUEL NETO

2 INTRODUÇÃO CONTEÚDO SISTEMA PHOTOVOLTAICO DE MONITORIZAÇÃO E ANÁLISE - Objectivo - Descrição de Tarefas CARACTERISTICAS TÉCNICAS DO SISTEMA SOLAR PHOTOVOLTAICO - Composição do Sistema SISTEMA DE RECOLHA E MONITORAMENTO - Protocolo de dados a Recolher e a Monitorar SUGESTÕES BIBLIOGRAFÍA 11/14/2011 1

3 INTRODUÇÃO Fotões Dentro, Electrões Fora: O Efeito Photovoltaico A conversão de energia photovoltaica solar é um processo de conversão de uma etapa que gere a energia eléctrica através da energia da luz; A luz é um conjunto (completo) de pacotes de energia, chamados de fotão, cuja energia depende somente da alta frequência, ou da cor da luz. A energia de fotão visíveis é suficiente para excitar electrões, limitados nos sólidos, até os níveis de energia mais elevada onde estarão mais livres de se mover; Esta experiência foi celebrada e explicada por Einstein em 1905, dizendo que a luz azul ou ultravioleta fornece bastante energia para que os electrões escapem completamente da superfície de um metal. 11/14/2011 2

4 INTRODUÇÃO FIG.1.1 Comparação do efeito fotoeléctrico (esquerdo), onde a luz ultravioleta libera electrões da superfície de um metal, com o efeito photovoltaico em uma célula solar (direita). A pilha photovoltaica precisa de ter assimetria especial, tal como contactos com propriedades electrónicas diferentes, para conduzir os electrões excitados embora no circuito externo. 11/14/2011 3

5 INTRODUÇÃO Curvas Voltage-Corrente de uma bateria convencional (cinzenta) e de uma célula solar sob níveis de iluminação diferentes. Uma bateria entrega normalmente e.m.f. constante a níveis diferentes de corrente de dreno à excepção de cargas com resistência muito baixas, quando o e.m.f. começa a cair. A e.m.f. da bateria igualmente deteriorar-se-á quando a bateria é descarregada pesadamente. A célula solar entrega uma corrente constante para todo o nível dado da iluminação quando a tensão for determinada pela maior parte da resistência da carga. Para pilhas photovoltaicas é usual traçar os dados no sentido oposto, com corrente na linha central vertical e a tensão na linha central horizontal. Isto é porque a pilha photovoltaica é essencialmente uma fonte de corrente, quando a bateria é uma fonte da tensão. 11/14/2011

6 INTRODUÇÃO A eficiência do quantum da pilha (QE) de GaAs comparado ao espectro solar. A escala vertical está em unidades arbitrárias, para a comparação. A photocurrente de curto-circuito é obtido integrando o produto da densidade de fluxo do fotão e do QE sobre a energia do fotão. É desejável ter um QE elevado nos comprimentos de onda onde a densidade de fluxo solar é elevada. 11/14/2011 5

7 INTRODUÇÃO Relacionamos a densidade da photocurrente, JSC, a incidência do espectro que precisamos da eficiência do quantum das pilhas, (QE), QE (E) que é a probabilidade que a incidência de energia que um fotão E entregará a um electrão no circuito externo. Onde bs(e) é o fluxo espectral do fotão incidente, o número de energia do fotão dada na escala E a E + de o que são incidente na área de unidade no tempo e q são unidade de carga electrónica. 11/14/2011

8 INTRODUÇÃO A tabela 1.1 mostra que os materiais da célula solar com JSC (Densidade da Photocorrente) mais elevado, tendem a ter um mais baixo VOC. Esta é uma consequência do material usado, e particular da abertura de faixa do semicondutor. 11/14/2011 7

9 INTRODUÇÃO Com estes princípios, uma equipa de Investigadores Angolanos, decidiram pela criação de um Sistema Photovoltaico e Sistema Avançado de Monitorização e Análise Integrada de Varáveis Ambientais e Electricas, denominado: CASA LABORATÓRIO DE ENERGIA PHOTOVOLTAICA, com o objectivo de realizar experiencias sobre a insidencia das variáveis ambientais Angolanas em diferentes Photocelulas, são eles:. Dr. Munzila Jackson Dodao- PhD;. Eng.º Mateus Manuel Neto BSc, MSc. Doutorando no Instituto de Física da Universidade Tecnológica de Hanoi/Vietnam;. Eng.º Landa Shibanda João Colaborador: Prof. Dr. Fernando J. T. Estêvão Ferreira Instituto de Sistemas e Robotica (ISR-UC), Dep. De Engenharia Electrica e Computadores, Universidade de Coimbra, Polo II 11/14/2011

10 CASA LABORATÓRIO DE ENERGIA PHOTOVOLTAICA EXPERIÊNCIAS EM ANGOLA 11/14/2011 9

11 OBJECTIVO. Monitorização em tempo real das principais grandezas/variáveis do sistema fotovoltáico;. Quantificação e avaliação da qualidade da energia eléctrica produzida pelo sistema fotovoltáico;. Quantificação do rendimento dos diversos módulos do sistema;. Controlo de algumas variáveis com vista à optimização do dimensionamento dos sistemas fotovoltáicos no futuro;. Monitorização da longevidade do sistema;. Demonstração da viabilidade do sistema photovoltáico à população em geral;. Formação e Investigação Científica Aplicada 11/14/

12 DESCRIÇÃO DE TAREFAS I: Criação de condições de habitabilidade para a simulação de uma utilização real na casa laboratório; II: Levantamento das características técnicas do sistema fotovoltáico; III: Dimensionamento do sistema de recolha e monitoramento de dados, o software e hardware necessários, incluindo sensores, actuadores, placa de aquisição e computadores; IV: Instalação do sistema photovoltáico e desenvolvimento do software de interface com o sistema fotovoltáico; V: Comissionamento do sistema mediante realização de diversos Testes de Funcionamento e calibragem do sistema bem como a Elaboração de um Manual do Utilizador. 11/14/

13 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA O sistema foi dimensionado tendo em conta os seguintes parâmetros dos termos de referência: Carga diária : 6518Wh Rendimento total do sistema : 80% Eficiência das baterias : 90% Descarga das Baterias : 60% Perda das baterias : 20% Economia de carga das baterias : 3 Dias Inversor e Regulador : 20% de perdas Psh: 3 (irradiação worth morth ) Latitude Luanda: 9º S 11/14/

14 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA O sistema é composto de 12 módulos de 24V com uma potência de 200Wp cada, agrupado de 6 paralelos de 2 módulos ligados em serie para fornecer uma tenção de 48V, 56A com uma potência total de 2.7 kwp; Um controlador de carga das baterias de 56A. 24 baterias de 2V, 900Ah ligados em serie para uma tenção de 48V; Um inversor de 48Vc.c/220V a.c e 2720W de potência. 11/14/

15 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA (IS1) (T1) (IS2) (T2) (SW1) (T3) (DW1) (U-1) A 48V, 8,3A B 48V, 8,3A C 48V, 8,3A D 48V, 8,3A CABO 2x 16mm 2 JUNÇÃO 2 MODULOS DE 200Wp / 24V EM SERIE CABO 2x2,5mm 2 PROTECÇÃO MAGNETO- TERMICA (I-4) (P-3) CONTROLADOR DE CARGA 48V/60A (V-3) CARGA d.c EMPRESA DE TECNOLOGIA ENERGÉTICA MODERNA LIMITADA PROJECTOU Eng. Mateus Neto APROVOU Dr. MUNZILA DESENHO NR : 001/06 PROTECÇÃO DESENHOU Eng. Landa João ESC. : (V-1) (P-1) 48V, 58,1A H (P-2) E 48V, 8,3A F 48V, 8,3A G (I-1) CAMPO PHOTOVOLTÁICO DE 12 MODULOS DE 200Wp / 48V 24x2V BATERIA EM SERIE de 900Ah Cada CABO 2x16mm 2 2VX24 = 48V (P-4) INVERSOR 48Vcc/220Va.c MAGNETO-TERMICA FUSIVEL 60A PROTECÇÃO MAGNETO- TERMICA 2720W 11/14/2011 (2x7 SERIE STRING PARALLEL) (F1) 14 (I-2) (P-5) (V-2) (P-6) (I-3) (V-4) CARGA a.c 16A

16 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA O sistema de recolha e monitoramento de dados é composto de vários periféricos ligados a um computador através de um interface alimentado em permanência pelo sistema fotovoltáico através das baterias e inversor para facilitar a comunicação entre os periféricos e o computador. Os periféricos ligados ao interface são: 1. Um anemómetro colocado a 10m de altura para medir a velocidade e direcção do vento; 11/14/

17 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA 2. Um higrómetro colocado ao nível dos painéis para medir a humidade relativa do ar; 3. Um termo-pare: colocado sobre a placa para medir a temperatura dos módulos; 11/14/

18 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA 4. Dois Solarímetros (Pyranómetro): Para medição da intensidade da radiação global (W/m2) com integração da energia diária: a) Um Pyranómetro colocado no plano inclinado dos paneis solares, b) Um Pyranómetro colocado no plano horizontal; 11/14/

19 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA 5. Dois computadores com impressoras à cores para monitorar e imprimir todas informação do sistema; 11/14/

20 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA Cada um dos periféricos transmite as informações através do interface para serem tratadas pelo computador. 11/14/

21 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA 11/14/

22 B1.- Intensidade eléctrica (A) Protocolo de dados a Recolher e a Monitorar B) MEDIÇÕES: Medição da corrente eléctrica na saída dos painéis solares (I-1) Medição da corrente eléctrica na entrada das baterias (I-2) Medição da corrente eléctrica na saída do inversor circuito (AC) (I-3) Medição da corrente eléctrica na saída do controlador de carga (I-4) B2.- Tensão (V) Medição da tensão eléctrica na saída dos painéis solares (V-1) Medição da tensão eléctrica na saída das baterias (V-2) Medição da tensão na saída da carga DC (V-3) Medição da tensão de saída da carga AC (V-4) B3.- Comportamento da Carga (W) Controle de demanda P = f (t) da carga B4.- Frequência à saída (-) Medição da frequência de saída = f (V) (F1) 11/14/

23 Protocolo de dados a Recolher e a Monitorar B) MEDIÇÕES: B5.- Intensidade solar e Energia recebida do sol (W/m2 ) Medição da intensidade solar em função do tempo (IS1): Medir a radiação solar em função do tempo para parametrização do sol (meses /dias /estações do ano); Medição da energia total recebida durante um intervalo de tempo determinado ( t) (IS2); Objectivo: Medir em função do tempo a energia recebida: Et = B6.- Velocidade e Direcção do Vento Medição da velocidade do vento (SW1) Medição da direcção do vento (DW1) [I] = [W/m2] [E] = [kwh] (m/s) e (N,S,O,L) B7.- Temperatura Exterior e Módulos (º C) Medição da temperatura dos módulos (T-1): Conhecer o nível de aquecimento dos módulos; Medição da temperatura bulbo seco no interior do laboratório (T-2): conhecer a temperatura bulbo seco no interior do laboratório. 11/14/

24 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA 11/14/

25 COMPOSIÇÃO DO SISTEMA PC MONITOR 1 CONTROL DE CARGA INVERSOR PC MONITOR 2 W Is f A tº V PC MONITOR 3 11/14/

26 SUGESTÕES a) Sugerimos que haja um protocolo de entendimento entre o Ministério da Energia e Água, e o Ministério do Ensino Superior (Universidade Agostinho Neto) e no sentido de disponibilizar a utilização da Casa Laboratório para fins didáticos; b) Os Estudantes da Faculdade de Engenhariada UAN, muito beneficiariam deste protocolo, por quanto o Departamento de Informática Electrónica e Electrotecnia, não possue equipamento nenhum ligado as Tecnologias de Energia Photovoltaica/Renováveis; c) O Ministério de Energia e Água, seria o benificiário final deste protocolo, por quanto, 90% dos finalistas do curso de electrotecnia do DIEE, são absorvidos pelas empresas Angolanas do sector de energia; d) A Casa Laboratório possui uma grande capacidade para absorver estudantes e/ou outras individualidades, que pretendam efectuar pesquisas científics no domínio da Energia Photovoltaica; e) Caso não se atribuir um caracter multidisciplinar a Casa Laboratório, simplesmente estaremos na presença de um desperdício financeiro Público. 11/14/

27 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS D. Anderson, Clean Electricity from Photovoltaic s, eds. M.D. Archer and R,D. Hill (London: Imperial College Press, 2001); M.A. Green Photovoltaic s: Coming of age, Conf. Record 21 st IEEE Photovoltaic - Specialists Conference, 1-7 (1990); E. Lorenzo, Solar Electricity: Engineering of Photovoltaic Systems (Progensa, 1994); T. Markvart, Solar Electricity (Wiley 2000); J. N. Shive, Semiconductor Devices (Van Nostrand, 1959); C. A. Vicent, Modern Batteries (Arnold, 1997); M. Wolf, Historical development of solar cells, Proc. 25th Power Sources Symposium In Solar Cells, ed. C. E. Backus (IEEE Press, 1976). 11/14/

28 THANK YOU VERY MUCH 11/14/