Automatização e Teste de um Sistema de Caracterização Elétrica Corrente Tensão (I V) para Dispositivos Fotovoltaicos

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1 Automatização e Teste de um Sistema de Caracterização Elétrica Corrente Tensão (I V) para Dispositivos Fotovoltaicos B. C. Lima 1 ; N. M. Sotomayor 2. 1 Aluno do Curso de Física; Campus de Araguaína; bismarck.lima@yahoo.com.br; PIBIC/CNPq. 2 Orientador do Curso de Física; Campus de Araguaína; nmsch@uft.edu.br RESUMO Neste trabalho é apresentada a metodologia empregada para o controle automático de um sistema de caracterização elétrica corrente em função da tensão para células solares. Células solares são dispositivos capazes de converter a radiação solar em energia elétrica através do efeito fotovoltaico. A caracterização elétrica de um dispositivo fotovoltaico consiste na obtenção de seus principais parâmetros de funcionamento elétrico a partir de sua curva I V. Para a obtenção destes parâmetros foram utilizadas uma fonte de tensão programável modelo Agilent E3645A e um eletrômetro digital modelo Keithley 6514, os quais estão conectados a um microcomputador via cabos GPIB 1 e GPIB- USB 2. Através do protocolo VISA disponível no software LabVIEW e de comandos no padrão SCPI (Comandos Padronizados para Instrumentação Programável) foi realizado o controle automático destes instrumentos por um microcomputador. Para a realização dos testes neste sistema, foi utilizado como dispositivo fotovoltaico uma junção p n de um transistor de potência 2N3773. As curvas corrente versus tensão foram obtidas com e sem a presença de iluminação. Os principais parâmetros elétricos deste dispositivo foram calculados graficamente, por um código em linguagem gráfica, o qual foi elaborado no software LabVIEW tendo como base a teoria de caracterização elétrica de dispositivos fotovoltaicos. Palavras-chave: células solares; labview; instrumentação; junções ; curva. INTRODUÇÃO Atualmente os dispositivos fotovoltaicos tem se tornado uma alternativa atrativa para geração de energia pela sua capacidade em converter a radiação solar em energia elétrica. Basicamente as células solares são diodos com sua estrutura interna exposta à iluminação. Estes dispositivos podem ser formados pela junção de dois materiais com condutividade intermediaria chamados semicondutores, nos quais são acrescentadas impurezas através do processo de dopagem, assim a junção é formada por um semicondutor dopado do tipo p (onde há falta de elétrons) e outro tipo n (excesso de elétrons), formando o que é conhecido como uma junção p-n [1, 2]. Quando este 1 General Purpose Interface Bus GPIB. É um barramento padrão de comunicação digital. 2 Cabo cuja as extremidades são mistas, com a função de converter do padrão GPIB para USB (Universal Serial Bus).

2 dispositivo é iluminado, os fótons fornecem energia suficiente para que os elétrons da banda de valência migrem para a banda de condução, deixando um buraco (carga positiva) no seu local de origem, após migrarem, os elétrons da banda de condução se conduzem para a região de menor energia potencial, gerando assim uma diferença de potencial nas extremidades do dispositivo, a qual pode ser utilizada em um determinado circuito elétrico. Neste trabalho será descrita a metodologia empregada para a automatização de um sistema de caracterização elétrica I V. Primeiramente será feita a descrição do circuito elétrico interno de uma célula solar, para então, obter-se a equação para a corrente elétrica fornecida pelo dispositivo em função da tensão aplicada sobre ele. Posteriormente serão descritos os dispositivos e softwares utilizados. Após isto, é exposta a metodologia empregada para a automatização do sistema de caracterização elétrica através do software LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), e finalizando, será apresentado os parâmetros elétricos obtidos durante os últimos testes realizados no sistema montado. TEORIA DE CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA O circuito elétrico interno de uma célula solar pode ser aproximado como uma fonte de tensão em paralelo com um diodo assim como mostrado na figura 1. A este circuito são inseridas duas resistências, uma em série ( R ) equivalente às resistências dos contatos elétricos, e outra em paralelo S ( R P ) que representa a perda de corrente elétrica gerada pelo efeito fotovoltaico. Para o caso de uma célula solar ideal a R 0 e R. S P Figura 1 Circuito elétrico interno aproximado de uma célula solar. A corrente total fornecida pelo dispositivo fotovoltaico é dada pela equação 1, onde é a corrente gerada pelo efeito fotovoltaico, é a corrente que passa pelo diodo [1], é a tensão nos terminais do diodo, é a corrente que passa pela resistência em paralelo, é a corrente de saturação do diodo, é a tensão medida nas extremidades do dispositivo fotovoltaico, é a constante de Boltzmann, é a carga elementar e é a temperatura em Kelvin.

3 A partir desta equação podemos determinar os principais parâmetros elétricos de funcionamento de uma célula solar. Neste trabalho todos os parâmetros elétricos foram determinados após a obtenção da curva. A corrente de curto circuito, que representa o valor máximo de corrente que pode ser extraída do dispositivo, ocorre quando a tensão nas extremidades da célula solar é igual a zero. A tensão de circuito aberto, a tensão máxima que pode ser extraída do dispositivo, é medida quando a corrente fornecida pelo dispositivo é nula. Observa-se que para estes dois parâmetros a potência do dispositivo é nula, mas eles são utilizados para o calculo da potência teórica. A potência máxima fornecida pela célula solar, é o ponto de maior valor ao longo da curva. Outro parâmetro a ser determinado é o fator de preenchimento, que determina a qualidade e, o quanto a curva se aproxima da ideal. Por ultimo são determinadas as resistência em série [2, 3] e em paralelo [3, 4], a corrente de saturação do diodo e a corrente gerada pelo efeito fotovoltaico. DISPOSITIVOS E SOFTWARES UTILIZADOS Durante a caracterização elétrica de células solares é necessário determinar a curva dispositivo. Para isso foi montada a estrutura esquematizada na figura 2. deste Figura 2 Esquema da estrutura montada. Um transistor de potência é utilizado como célula solar (b), o qual é iluminado por um retroprojetor (a). Os instrumentos de medida são controlados por um microcomputado (d). Para a aquisição destes dados foram utilizados dois instrumentos programáveis, uma fonte de tensão Agilent E3645A e um eletrômetro Keithley 6514, figura 2 (c). Através de um cabo GPIB e um

4 GPIB-USB estes instrumentos de medida estão conectados a um microcomputador, figura 2 (d), o qual possui instalado o software LabVIEW Através deste software foi elaborado um programa em linguagem gráfica para controlar a aquisição das curvas, os comandos utilizados para o controle destes instrumentos estão no formato SCPI (standard commands for programmable instruments Comandos Padronizados para Instrumentação Programável). Como dispositivo fotovoltaico, foi utilizada a junção n-p de um transistor de potencia 2N3773 de junção [2]. A iluminação do dispositivo é feita por um retroprojetor (a) e em (b) é apresentado os contatos elétricos realizados diretamente no dispositivo fotovoltaico. SOFTWARE UTILIZADO PARA A AQUISIÇÃO DA CURVA. O software elaborado em linguagem gráfica, segue o seguinte algoritmo: 1 Identificação dos instrumentos; 2 Configuração do eletrômetro e da fonte de tensão; 3 Realização das medidas de corrente em função da tensão aplicada, a partir de, até que a corrente assuma valores negativos e realiza-se o gráfico em tempo real; 4 Configura a tensão para ; 5 Calcula os parâmetros elétricos; 6 Grava em disco os dados de corrente, tensão e potência; 7 Imprime-se os parâmetros elétricos e é realizado o gráfico. A interface do usuário é apresentada na figura 3, o gráfico da esquerda apresenta a curva realizada em tempo real, e o da direita a curva. Os parâmetros elétricos estão indicados em baixo. Figura 3 Interface gráfica de utilização do usuário. RESULTADOS E DISCUSSÃO Com o aprendizado dos comandos no formato SCPI foi possível realizar a automatização do sistema mesmo sem a presença dos drivers para os instrumentos. Foram feitos vários testes do sistema

5 de caracterização elétrica, para verificação da precisão dos parâmetros obtidos, aperfeiçoamento gráfico e de facilitação de uso do software. Nesta seção serão apresentados os resultados dos últimos testes do sistema realizados com o transistor de potência. A tabela abaixo apresenta os principais parâmetros elétricos obtidos. Parâmetro Valor Parâmetro Valor Corrente de curto circuito 1,122 x 10-4 Fator de Preenchimento 68 Tensão de Circuito aberto 4,2 x 10-1 Resistência série 4,8 x 10 4 Ω Potência teorica 5,1 x 10-5 Resistência em Paralelo 5,46 x 10 2 Ω Potência Máxima 3,518 x 10-5 Corrente de Saturação do diodo 2,85 x 10-7 Tensão de Máxima Potência 3,3 x 10-1 Corrente gerada pelo efeito fotovoltaico 1,21 x 10-4 Corrente de Máxima Potência 1,066 x 10-4 Tabela 1 Principais parâmetros elétricos obtidos para o dispositivo fotovoltaico. LITERATURA CITADA [1] SZE, S. M. Physics of Semiconductor Devices, John Wiley, New York, [2] AGILENT TECHNOLOGIES. I-V Curve Characterization in High-Power Solar Cells and Modules. Application Note. [3] CHEKNANE, A., et al. An equivalent circuit approach to organic solar cell modelling. Microelectronics Journal, v. 39 (2008) p [4] KUNZ, G; WAGNER, A. Internal series resistance determinated of only one IV-curve under illumination. 19º European Photovoltaic Solar Energy Conference, Paris, França. 7 a 11 Junho de Nº 5BV.2.70, p AGRADECIMENTOS O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq Brasil, do Instituto Nacional de Eletrônica Orgânica INEO, da Secretária Estadual de Ciência e Tecnologia do Estado do Tocantins e do Prof. Dr. Alexsandro Silvestre da Rocha, do Laboratório de Pesquisa em Materiais para Aplicações em Dispositivos Eletrônicos LABMADE e da Universidade Federal do Tocantins.