EEE934 Impactode GD àsredes Elétricas (

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1 Universidade Federal de Minas Gerais Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica Área de Concentração: Engenharia de Potência EEE934 Impactode GD àsredes Elétricas ( Prof. Selênio Rocha Silva Prof. Wadaed Uturbey da Costa Departamento de Engenharia Elétrica- UFMG -Novembrode ENERGIA FOTOVOLTÁICA 09/11/2012 1

2 Energia Fotovoltáica no Mundo 09/11/2012 2

4 Energia Fotovoltáicana Europa 09/11/2012 4

5 Energia Fotovoltáicana EU /11/2012 5

6 Energia Fotovoltáica no Mundo 2011 * Sem a União Européia!!! 09/11/2012 6

7 Energia Fotovoltáica no Mundo /11/2012 7

9 Emissões de GHG por fonte energética 09/11/2012 9

10 Estado da Tecnologia Reduçãodo custo de produçãodo Si grausolar: de umacentena de U$/kg para 25-30U$/kg; Quedanoscustosdo sistemasem11% e dos módulossi c em38%, em 2009; Estimativa de crescimento da tecnologia de filmes finos para ocupar30% do mercadoem2013; Aumento da eficiência(97,5%) e redução de custos dos inversores; Crescimentode outros mercados: EUA, China, RepublicaTchecae Itália. 09/11/

11 Energia Fotovoltáica Estima-se a potência instalada no Brasil em 20MWp! A energia que chega à Terra dos raios solares em um ano corresponde a vezes o consumo global de energia; Cada metro quadrado recebe anualmente em média cerca de 1700kWh de energia solar! 09/11/

12 Energia Fotovoltáica A posiçãodo Sol aomeiodia, emrelaçãoaoplanodo Equador (polo N) chama-se DECLINAÇÃO SOLAR (δ)! A declinaçãosolar varia: -23,45 δ +23,45 09/11/

13 Energia Fotovoltáica A posiçãodo painelemrelaçãoaosolo paramaximizara captação solar; A posiçãodo Sol aomeiodia: 09/11/

14 Energia Fotovoltáica A radiação solar é radiação eletromagnética que se propaga a uma velocidade de km/s, podendo-se observar aspectos ondulatórios e corpusculares. Em termos de comprimentos de onda, a radiação solar ocupa a faixa espectral de 0,1 μ m a 5 μ m, tendo uma máxima densidade espectral em 0,5 μ m, que é a luz verde. 09/11/

15 Energia Fotovoltáica Cada metro quadrado terrestre recebe anualmente em média cerca de 1700kWh de energia solar! Emmédiacercade 1367W/m 2! 09/11/

16 Energia Fotovoltáica Os piranômetros medem a radiação global. Um modelo deste instrumento caracteriza-se pelo uso de uma termopilha que mede a diferença de temperatura entre duas superfícies, uma pintada de preto e outra pintada de branco igualmente iluminadas. A expansão sofrida pelas superfícies provoca uma diferença de potencial que, ao ser medida, mostra o valor instantâneo da energia solar. Um outro modelo bem interessante de piranômetro é aquele que utiliza uma célula fotovoltaica de silício monocristalino para coletar medidas solarimétrias. Estes piranômetro é largamente utilizados pois apresentam custos bem menores do que os equipamentos tradicionais. Os piranômetrospodemser de primeiraclasse(2%) e de segundaclasse(5%). 09/11/

17 Energia Fotovoltáica 09/11/

18 Energia Fotovoltáica 09/11/

19 Energia Fotovoltaica Massa de Ar : Antes de atingir o solo, as características da radiação solar (intensidade, distribuição espectral e angular) são afetadas por interações com a atmosfera devido aos efeitos de absorção e espalhamento. Estas modificações são dependentes da espessura da camada atmosférica, também identificada por um coeficiente denominado "Massa de Ar" (AM), e, portanto, do ângulo Zenital do Sol, da distância Terra-Sol e das condições atmosféricas e meteorológicas. 09/11/

20 Energia Fotovoltáica Sol Pleno : Número de horas em um dia que a radiação solar equivale a uma radiação constante de 1 kw/m 2 (1000 W/m 2 ), istoé, o número de horas em que a média de irradiação de um dia pode ser considerada padrão. 09/11/

21 Energia Solar Fotovoltáica A conversão de energia solar em energia elétrica foi verificado pela primeira vez por Edmond Becquerel, em 1839 onde constatou uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor quando exposto a luz. 09/11/

22 Efeito Fotovoltáico O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados semicondutores que se caracterizam pela presença de bandas de energia onde é permitida a presença de elétrons(banda de valência) e de outra onde totalmente vazia (banda de condução). O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuirem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo, haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando", fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia térmica, este elétron se livre, indo para a banda de condução. Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de elétrons e denomina-se dopante n ou impureza n. (Fonte: CEPEL,2009) 09/11/

23 Efeito Fotovoltáico Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de ligação, como é ocasodoboro,haveráumafaltadeumelétron parasatisfazerasligaçõescomosátomos desilíciodarede.estafaltadeelétronédenominadaburaco oulacunaeocorreque,com pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se portanto, que o boro é um aceitador de elétrons ou um dopante p. Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma metade e defósforonaoutra,seráformadooquesechamajunçãopn.oqueocorrenestajunçãoé que elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam; isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o lado p; este processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado n.(fonte: CEPEL,2009) 09/11/

24 Efeito Fotovoltáico Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a geração de pares elétron-lacuna; se isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção; este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico.(Fonte: CEPEL,2009) 09/11/

25 Tecnologias de Células Fotovoltáicas PrimeiraGeração: - Célulasde Siliciocristalino(c-Si) representam85-90% do mercadoglobal hojee sãodivididosem: i) monocristalino(sc-si) e ii) multi-cristalino ou poli-cristalino (mc-si). SegundaGeração: - Filmesfinosconstituematualmentecercade 10% a 15% dos módulos solares existentes. Eles são dividios em: i) Silício amorfo (a- Si); ii) Telureto de Cádmio (CdTe); e iii) Copper-Indium-Diselenide (CIS) e Copper-Indium-Gallium-Diselenide (CIGS). Terceira Geração: - Essas células podem ser fabricadas com materiais orgânicos (ex. óleo de buriti, polímeros, corantes fotosensíveis); com nanopartículas de TiO 2 (dióxido de titânio) ou ZnO 2 (dióxido de zinco) com e sem nanotubos de carbono; com nanotubos de carbono decorados com CdS (sulfeto de cádmio). Tecnologias de concentradores solares: usam um concentrador ótico para focalizar a radiação solar em uma pequena célula de alta eficiência. 09/11/

26 Células Fotovoltáicas de 1ª. Geração O Silício é um dos elementos mais abundantes na natureza, chegando a constituir 95% do volume da crosta terrestre na forma de silicatos. No Brasil estão localizadas as maiores jazidas de quartzo de boa qualidade; Os principais depósitos de quartzo no Brasil estão localizados nos estados de Minas Gerais,Goiás e Bahia; O Brasil é um dos maiores produtores mundiais de silício grau metalúrgico (99% de pureza), contudo, perde hoje mercado para China (70%) e India; Minas possui alguns dos maiores fabricantes de Si grau metalúrgico. 09/11/

27 Células Fotovoltáicas de 1ª. Geração 09/11/

28 Células Fotovoltáicas de 1ª. Geração Etapas da cadeia produtiva: Obtenção do silício grau metalurgico; Purificação do Si para grau solar; Produção de lâminas Processamento das células Montagem dos módulos Caracterização e certificação dos módulos 09/11/

29 Células Fotovoltáicas de 1ª. Geração Purificação do Silício para grau Solar: Rota química: Preparação/sintese do hidreto de silicio volatil (SiH 4 ); Purificação Decomposição em Si elementar: Processo Siemens ou Union Carbide Rota metalurgica: (em desenvolvimento) Maior solubilidade das impurezas contidas no silicio liquido, de forma que este se concentra em ultimas zonas solidificadas. 09/11/

30 Células Fotovoltáicas de 1ª. Geração Processo Siemens: Processos para Monocristalização: Processo Czochralski: Refusão Zonal 09/11/

31 Células Fotovoltáicas de 1ª. Geração Pode-se classificar os graus de purificação do silício como: grau metalúrgico (M-Si): ~ 98%; grau metalúrgico melhorado (UMG-Si - Upgraded Metallurgical Grade): 99 99,99%; grau solar (SiGS): >99,999%; grau eletrônico (SiGE): >99, %. 09/11/

32 Células Fotovoltáicas de 1ª. Geração Pode-se classificar os graus de purificação do silício como: grau metalúrgico (M-Si): ~ 98%; grau metalúrgico melhorado (UMG-Si - Upgraded Metallurgical Grade): 99 99,99%; grau solar (SiGS): >99,999%; grau eletrônico (SiGE): >99, %. 09/11/ PROCESSO SIEMENS

33 Células Fotovoltáicas de 1ª. Geração O processo que consome mais energia e produz mais resíduos de impacto ambiental é a purificação do silício policristalino (multicristalino), matéria prima para a obtenção de lâminas de Si. A purificação do silício metalúrgico para obtenção de silício grau eletrônico, através da rota química, apresenta impactos ambientais específicos, com a produção de cloro-silanos e de reações com cloreto de hidrogênio. 09/11/

34 Células Fotovoltáicas de 1ª. Geração Constituição interna da célula fotovoltáica: Grelha e contactos frontais ; Película anti-reflexo ; Camada tipo n ; Camada tipo p ; Contacto traseiro 09/11/

35 Células Fotovoltáicas 09/11/

39 Células Fotovoltáicas Células Flexiveis Módulos Fotovoltaicos 09/11/

40 Sistemas Fotovoltaicos A célula solar é a unidade de conversão do módulo. Uma célula contudo produz muito pouca energia, em uma tensão em torno de 0,4 V e densidadedecorrentedaordemde30ma/cm 2 ; A célula é o elemento menor do sistema fotovoltaico, produzindo tipicamente potências eléctricas da ordem de 1,5 W (correspondentes a umatensãode0,5veumacorrentede3a). Para obter potências maiores, as células são ligadas em série e/ou em paralelo, formando módulos (tipicamente com potências da ordem de 50 a 100 W) e painéis fotovoltaicos (com potências superiores). 09/11/

41 Sistemas Fotovoltaicos O módulo fotovoltaico é a unidade básica de todo o sistema. Este é composto por células conectadas em arranjos produzindo tensão e corrente suficientes para a utilização da energia; Um conjunto de módulos constitui um painel fotovoltaico e pode ser conectado em série ou paralelo; 09/11/

42 Sistemas Fotovoltaicos Quando uma célula fotovoltaica dentro de um módulo, por algum motivo, estiver encoberta (sombreada) a potência de saída do múdulo cairá drasticamente que, por estar ligada em série, comprometerá todo o funcionamento das demais células no módulo. Para que todo a corrente de um módulo não seja limitado por uma célula de pior desempenho (o caso de estar encoberta), usa-se um diodo de passo ou de bypass. Este diodo serve como um caminho alternativo para a corrente e limita a dissipação de calor na célula defeituosa. 09/11/

43 Sistemas Fotovoltaicos Um outro problema que pode acontecer é quando surge um corrente negativa fluindo pelas células ou seja, ao invés de gerar corrente, o módulo passa a receber muito mais do que produz. Esta corrente pode causar queda na eficiência das células e, em caso mais drástico, a célula pode ser desconecta do arranjo causando assim a perda total do fluxo de energia do módulo. Para evitar esses problemas, usa-se um diodo de bloqueio impedindo assim correntes reversas que podem ocorrer caso liguem o módulo diretamente em um acumulador ou bateria 09/11/

44 Características de Células Fotovoltaicos A potência dos módulos é dada pela potência de pico. Tão necessário quanto este parâmetro, exite outras características elétricos que melhor caracteria a funcionabilidade do módulo. As principais características elétricas dos modúlos fotovoltaicos são as seguintes: Voltagem de Circuito Aberto(Voc) Corrente de Curto Circuito(Isc) Potência Máxima(Pm) Voltagem de Potência Máxima(Vmp) Corrente de Potência Máxima(Imp) A condição padrão (STC) para se obter as curvas características dos módulosé: Radiação de 1000W/m2; Temperatura de 25ºC na célula; Massadear1,5 09/11/

45 Características de Células Fotovoltaicos 09/11/

46 Características de Células Fotovoltaicos Fator de forma (ou de preenchimento): é uma grandeza que expressa quanto a curva característica se aproxima de um retângulo no diagrama IxV. Quanto melhor a qualidade das células mais próximo da unidade será este fator. F = f V maxp V oc.i.i maxp cc Eficiência do módulo: η= V maxp.i S.A maxp onde S é a radiação incidente (W/m 2 ) e A é a área do painel em m 2 ; 09/11/

47 Características de Células Fotovoltaicos Os principais fatores que influenciam nas características elétricas de um painel é a Intensidade Luminosa e a Temperatura das Células. A corrente gerada nos módulos aumenta linearmente com o aumento da Intensidade luminosa. Por outro lado, o aumento da temperatura na célula faz com que a eficiência do módulo caia abaixando assim os pontos de operação para potência máxima gerada. 09/11/

48 Características de Células Fotovoltaicos Conectados em série e/ou paralelo, dependendo da potência e tensão desejadas; Requer homogeneidade entre as características dos módulos (módulos iguais); Pode ser necessário o uso de dispositivos de proteção (p.e. diodos de by pass e bloqueio); Tensões e correntes muito elevadas podem ser obtidas. Série Paralelo 09/11/

49 Modelo de Células Fotovoltaicos O circuito equivalente da célula fotovoltáica pode ser mostrado na figura, consistindo de um gerador de corrente constante (corrente fotogerada) em paralelo com a junção pn que atua como um diodo polarizado positivamente; A corrente que é fornecida à carga (I o ) é portanto a diferença entre a corrente fotogerada(i fg )eacorrentenodiodo(i d ); I I o = I fg I A corrente no diodo vale: d q.v d = I sr exp 1 F.k.T i d onde: I sr é a corrente de saturação reversa do diodo; V d é a tensão nos terminais da junção pn; q é a carga do elétron (1,6x10-19 C); k é a constante de Boltzmann (1,38x10-23 J.K -1 ) F i é o fator de idealidade que depende do material utilizado e varia entre 1 e 2; T é a temperatura da célula em o K; 09/11/

50 Modelo de Células Fotovoltaicos A corrente I sr depende fortemente da tensão na célula, e pode ser expressa por: I sr 3 T q.e go 1 1 = I sro. exp 1 Tr F.k. i Tr T onde: I sro é a corrente de saturação reversa na temperatura T r ( 5µA); T r é a temperatura de referência em o K (normalmente 298 o K); E go é a diferença de potencial do silício (1,1 ev); A corrente fotogerada varia de forma diretamente proporcional à quantidade de irradiação solar incidente sobre a célula e à área de célula iluminada: I fg S = 1000 [ I k(t T) ] cc t 09/11/ r

51 Modelo de Células Fotovoltaicos Acrescentando a queda na resistência série da célula, R s, a expressão da corrente fornecida vale: I o q.(v o Rs.Io) = I fg Isr exp 1 F.k.T i A potência fornecida por uma célula é da ordem de poucos Watts sob as melhores condições de temperatura e irradiação, logo é comum um arranjo de várias células em série na composição de um módulo e de vários módulos em série e em paralelo em um painel; A inclusão de N s células ou módulos em série e de N p módulos em paralelo provoca as seguintes alterações nestas equações acima: I o Ns q.(v o R s + Rcabo.I o) Np = I fg Isr exp 1 F.k.T.N i s 09/11/

52 Aplicações de Sistemas Fotovoltaicos Um sistema fotovoltaico pode ser classificado em três categorias distintas: Sistemas isolados, Sistemas híbridos Sistemas conectados a rede. Os sistemas obedecem a uma configuração básica onde o sistema deverá ter uma unidade de controle de potência e também uma unidade de armazenamento 09/11/

53 Aplicações de Sistemas Fotovoltaicos Os sistemas fotovoltaicos conectados a rede são projetados para operar interconectadosa redeelétricade distribuição. O componenteprincipal de conexãoé o inversorestáticoouunidadede condicionamentode potência(pcu). 09/11/

54 Aplicações de Sistemas Fotovoltaicos SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A REDE Inversor Central Inversor String Painel CA 09/11/

55 Aplicações de Sistemas Fotovoltaicos SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A REDE Quanto ao número de estágios Quanto a localização do transformador 09/11/

56 Aplicações de Sistemas Fotovoltaicos

62 Muito obrigado