Fundamentos de Engenharia Solar Energia Fotovoltaica parte 1 José R. Simões-Moreira Racine T. A. Prado

Transcrição

1 Energia Fotovoltaica parte 1 José R. Simões-Moreira Racine T. A. Prado

2 CEPEL-CRESESB Fundamentos de Engenharia Solar Células fotovoltaicas

3 Células fotovoltaicas Módulo de filme fino Módulo cristalino Schottsolar

4 Aplicações Estações espaciais Schottsolar

5 20 MW em Beneixama (Espanha)

6 CPFL TANQUINHOS Cortesia de Alvaro Nakano

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8

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10 Fraunhofer

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15 Fabricantes de Painéis Solares Affordable-solar.com

16 Célula fotovoltaica corte transversal CEPEL-CRESESB

17 Semicondutores Caracterizam-se por possuir uma banda de valência totalmente preenchida por elétrons e uma banda de condução totalmente vazia a temperaturas muito baixas.

18 Banda de valência e de condução Banda de valência é uma banda de energia formada por níveis de energia, ocupada por elétrons semilivres, um pouco mais separados do núcleo que os demais. wikienergia Nesta banda, de energias menores que a banda de condução, a incidência de radiação eletromagnética faz com que os elétrons saltem o bandgap, formando buracos e geração de corrente.

19 Fenômeno fotoelétrico Uma propriedade fundamental das células fotovoltaicas é a possibilidade de fótons, na faixa do visível, com energia superior ao bandgap do material, excitarem elétrons movendo-os para a banda de condução.

20 Silício Os átomos do Silício se caracterizam por possuir quatro elétrons de ligação que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina.

21 Cristais de Silício de uma célula solar Imagem de superfície de silício em microscópio eletrônico Wenham et al.

22 Silício e dopagem com fósforo Adição de fósforo, com 5 elétrons, ao silício Elétrons em excesso, sobrando, com ligações fracas a seus átomos originais Com pouca energia térmica, estes elétrons vão para a banda de condução. O fósforo é um dopante doador de elétrons ou dopante n

23 Silício e dopagem com boro Adição de átomos com apenas três elétrons de ligação, como é o caso do boro. Falta de elétrons para satisfazer as ligações com os átomos de silício: buracos. Com pouca energia térmica, elétrons próximos passam para estas posições, ocorrendo deslocamento dos buracos. O boro é um aceitador de elétrons ou um dopante p.

24 Semicondutor CEPEL-CRESESB

25 Dopagem do silício com fósforo e boro wikienergia O que ocorre nesta junção é 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.

26 Zilles et al. Fundamentos de Engenharia Solar Processo de conversão fotovoltaica

27 Energia de um fóton onde: h: constante de Planck ( 6,6256 x Js); f: frequência, em Hz.

28 Energia de um fóton Segue-se que, se a frequência f aumenta, diminui e a energia do fóton aumenta. Consequência uma quantidade de energia mínima de um fóton é necessária, para deslocar um elétron, em um dispositivo fotovoltaico.

29 apud CEPEL-CRESESB Fundamentos de Engenharia Solar Radiação solar com comprimento de onda aproximadamente até 1 m excita elétrons.

30 Materiais Silício cristalino (c-si) Tecnologia mais empregada no mercado atualmente, com uma participação de 95% do mercado de células fotoelétricas. Atualmente apresenta um rendimento de 15 a 21% em suas células; painéis solares feitos de células de silício cristalino tem rendimento de 13 a 17%.

31 Silício policristalino (p-si): eficiência de conversão inferior custo de produção mais baixo O material de partida é o mesmo do monocristalino, mas é fundido e solidificado direcionalmente, resultando em um bloco com grande quantidade de cristais, onde há defeitos que diminuem sua eficiência de conversão. O restante do processo é semelhante ao do (m-si). Pode ser fabricado em fitas, dispensando o fatiamento. Hoje, detém mais 50 % da produção mundial Rüther

32 Materiais Silício amorfo (a-si) Participação de cerca de 3,7% do mercado de células fotoelétricas, tem rendimento de cerca de 7%.

33 Materiais CIGS Nome comercial para células de filme fino fabricadas com Cu(In,Ga)Se 2. Participação de 0,2% do mercado de células fotoelétricas e rendimento de 13%. Atualmente sofre problemas com o abastecimento de índio para sua produção, visto que 75% de todo o consumo do material no mundo se dá na fabricação de monitores de tela plana, como LCDs e monitores de plasma.

34 Materiais Arsenieto de gálio (GaAs) Atualmente é a tecnologia mais eficiente empregada em células solares, com rendimento de 28%. Porém, seu custo de fabricação é extremamente alto, tornando-se proibitivo para produção comercial, sendo usado apenas em painéis solares de satélites artificiais.

35 Materiais Telureto de cádmio (CdTe) Participação de 1,1% do mercado de células fotoelétricas, é uma tecnologia que emprega filmes finos de telureto de cádmio. Apresenta pouco apelo comercial devida à alta toxicidade do cádmio.

36 Silício amorfo hidrogenado (a-si): Melhor resposta no espectro azul Melhor eficiência em condições de iluminação artificial (fluorescente) ou de céu encoberto (predomínio de radiação difusa) Aplicações em calculadoras e relógios.

37 Rüther Fundamentos de Engenharia Solar Produção do (a-si): T 300 C (processos a plasma); filmes finos depositados sobre substratos de baixo custo (vidro, aço inox, plásticos,...), resultando em módulos leves, flexíveis, curvos,...)

38 Silício amorfo (a-si) - vantagens: emprego como material de revestimento; não apresenta redução de potência com o aumento de temperatura de operação.

39 Semicondutores mais utilizados: Silício cristalino (c-si); Silício amorfo hidrogenado (a-si-h); outros: à base de Cd, Te, In e Ga, que são escassos e tóxicos. Formas: lâminas cristalinas, com = 10 cm e esp m; filmes finos com esp 1 m.

40 Eficiência: conversão fotovoltaica do c-si 15 %; filmes finos 7 10 %. Preços: Painéis de filmes finos têm preço menor ($/potência ou $/energia) do que os de c-si, mas deve-se considerar o fator área ocupada.

41 Participação dos tipos de materiais no mercado Dernik apud CEPEL-CRESESB

42 Mercado de células fotovoltaicas Hering apud Zilles

43 Processo de fabricação do silício monocristalino velocidade de crescimento do cristal 1 cm/h; T C; usinagem do tarugo; corte das lâminas; lapidação; ataque químico; polimento; processos de difusão/dopagem; deposição da máscara condutora de eletricidade gerada; interconexão das células em série para obtenção do módulo fotovoltaico. Rüther

44 Produção do tarugo - Metodo de Czochralski wikipedia

45 Processamento do silício Fraunhofer

46 Produção Schottsolar

47 Produção Schottsolar

48 Estrutura de módulo fotovoltaico Wenham et al.

49 Curva I x V de célula fotovoltaica apud CEPEL-CRESESB

50 Desempenho de células fotovoltaicas Curva I - V Zilles et al.

51 Desempenho de células fotovoltaicas, com variação da irradiância Curva I - V Curva P - V STC : 1000 W/m 2 T = 25 C SP = Sol Pleno Zilles et al.

52 Desempenho de células fotovoltaicas, com variação da temperatura Curva I - V Curva P - V STC : 1000 W/m 2 T = 25 C SP = Sol Pleno Zilles et al.

53 Características das células e módulos Voltagem de circuito aberto (Voc): tensão entre os terminais positivo e negativo da célula exposta à radiação; corrente de curto circuito (Isc): corrente que aparece na ligação direta dos terminais de um módulo, sem equipamento conectado.

54 Agrupamento de várias células fotovoltaicas. Zilles et al.

55 Agrupamento de várias células fotovoltaicas. Zilles et al.

56 Agrupamento de várias células fotovoltaicas. Em paralelo, as correntes são somadas. Em série, as tensões são somadas Wenham et al.

57 Módulo é o agrupamento de várias células fotovoltaicas. Em paralelo, as correntes são somadas e a tensão do módulo é a tensão da célula. Em série, somam-se as tensões de cada célula. CEPEL-CRESESB

58 Rendimento do gerador fotovoltaico fatores determinantes do desempenho: radiação solar: localização geográfica; inclinação; orientação; temperatura dos painéis; sombreamento parcial; desacoplamento de painéis de um mesmo string; resistências dos condutores; limpeza dos painéis. Rüther

59 Sombreamento Uma pequena sombra (de antena, p. ex.) pode reduzir muito o desempenho do sistema, pois a célula com menor incidência de radiação determina a corrente que circula no sistema e, portanto, sua potência. Pode até atuar como carga, aquecendo-se excessivamente e atingindo a destruição do módulo (hot spot). prevenção com diodo bypass.

60 Sombreamento Comportamento de módulo sombreado Células queimadas Zilles et al.

61 1º problema: o efeito de um sombreamento é contornado com um diodo bypass em paralelo com o módulo CEPEL-CRESESB

62 2º problema: corrente negativa circulando pelas células. P.ex, da bateria para o painel, em períodos de radiação baixa ou nula. M M M M M M Bateria Carga M M M CEPEL-CRESESB M M M

63 Tipos de sistemas PV isolados; híbridos; conectados à rede.

64 Fatores na escolha do tipo de sistema investimento inicial; custo de manutenção; dificuldade de obtenção de combustível complementar; poluição do ar e sonora do combustível; área ocupada pelo Sistema Fotovoltaico; curva de carga; etc.

65 Armazenamento de energia fotovoltaica Unidade de Arranjo Fotovoltaico controle e condicionamento de potência Usuário Armazenamento CEPEL-CRESESB

66 Sistemas autônomos, não conectados à rede elétrica, podem ou não ter sistemas complementares. CEPEL-CRESESB

67 Sistemas híbridos são os que possuem sistemas complementares. CEPEL-CRESESB

68 Possibilidades de Sistemas Híbridos Potência eólica DC/AC Controle Fotovoltaica DC/DC Controle Célula de combustível DC/DC Controle Biomassa DC/DC Controle Gás Natural DC/DC Controle

69 Sistemas isolados são aqueles puramente fotovoltaicos. Tecnometal Energia Solar

70 Sistemas híbridos possuem sistemas complementares e geralmente atendem cargas de corrente alternada (CA). Necessidade de Inversor CEPEL-CRESESB

71 Sistemas conectados à rede entregam a potência fotovoltaica à rede. Necessidade de Inversor CEPEL-CRESESB

72 Sistema conectado à rede Arranjo Fotovoltaico Inversor Barramento da rede CEPEL-CRESESB

73 Carga CC sem armazenamento Arranjo Fotovoltaico Equipamento CC CEPEL-CRESESB

74 Carga CC com armazenamento a Arranjo Fotovoltaico Controlador de carga Cargas CC Armazenamento CEPEL-CRESESB

75 Carga CA sem armazenamento Arranjo Fotovoltaico Inversor Cargas CA CEPEL-CRESESB

76 Caixa, com base em Rüther Fundamentos de Engenharia Solar Conexão elétrica do gerador fotovoltaico à rede convencional

77 Carga CA com armazenamento e seguidor do ponto de máxima potência Seguidor Arranjo Fotovoltaico do ponto de máxima Inversor Cargas CA potência Armazenamento CEPEL-CRESESB

78 Sistema Residencial - Medição única do Balanço de energia MME

79 Sistema Residencial - Medição dupla do Balanço de energia kwh kwh MME

80 Vantagem da integração à rede complementação da curva de carga MME

81 Vantagens para o sistema elétrico: minimização de perdas por transmissão; redução de investimentos em linhas de transmissão; área de instalação não é significativa; melhoria da qualidade de energia (kvar); coincidência de demanda com ar condicionado; grande modularidade reduz capacidade ociosa de geração. Rüther

82 Componentes do sistema: módulos; sistema de fixação; conversor(ou inversor) CC-CA (necessita proteção contra sobretensões); diodos de by-pass (evita que string sombreado opere como carga); diodos de bloqueio; terminais; cabos (com duplo isolamento, resistentes a UV, T > 50 C); dispositivos de proteção: sobrecorrentes (fusíveis); descargas atmosféricas; caixas de conexão; baterias (12 V).

83 Hora Irradiância Radiação (kw/m2) (kwh/m2) 07:00 0,2 0,2 08:00 0,3 0,3 09:00 0,4 0,4 10:00 0,5 0,5 11:00 0,6 0,6 12:00 0,7 0,7 13:00 0,6 0,6 14:00 0,5 0,5 15:00 0,4 0,4 16:00 0,3 0,3 17:00 0,2 0,2 4,7 HSP: como se tivesse 4,7 horas de Irradiância de 1,0 kwp.

84 Escolha do módulo fotovoltaico A especificação da potência do módulo fotovoltaico é dada em Wp (Watt pico), associada às condições padrão de testes (STC - Standard Test Conditions).

85 Air Mass: AM AM 1,0

86 STC e PTC Standard Test Condition: "Factory Standard Test Conditions significam: 1000 W/m 2 ; Massa de ar = 1,5; T célula = 25 ºC. PTC: "PV USA Test Conditions significam: 1000 W/m 2 ; Massa de ar = 1,5; T célula = 20 ºC; 10 m acima do solo; velocidade do vento de 1 m/s.

87 NOCT: Normal Operation Cell Temperature Representa a temperatura usual de operação da célula 800 W/m 2 ; Temperatura do ar = 20 ºC. T célula = 48,4 ºC. Os resultados dos tests informam: Pmpp; Vmpp; Voc; Isc.

88 Exemplo de parâmetros de módulo fotovoltaico Mitsubishi

89 Exemplo de parâmetros de módulo fotovoltaico