M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero 1. ENG1116 Tópicos especiais Energia solar

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Lorenzo de Andrade Aires
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2 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero 2 Ementa o Conquistas e desafios da energia solar o Conceitos básicos o Radiação solar o Física das células solares o Circuitos elétricos o Célula solar o Componentes de um sistema fotovoltaico o Tipos de sistemas fotovoltaicos o Dimensionado de sistemas fotovoltaicos o Outros tipos de células solares o Otimização da eficiência o Conversão de energia solar via orgânica o Medidas e caracterização o Utilização de simuladores para células solares

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4 4 Dispositivos fotovoltaicos Dispositivos fotovoltaicos o Conversão direta da energia solar em energia elétrica. o Diversas formas derealizar: materiais, estruturas, etc. o Otimização em andamento: pesquisa e desenvolvimento. o Diferentes gerações de dispositivos. 15 MW solar plant. Nevada, USA.

5 5 Dispositivos fotovoltaicos Dispositivos fotovoltaicos A célula fotovoltaica é a unidade fundamental do processo de conversão. O modulo solar fotovoltaico é composto por células solares O painel solar fotovoltaico é composto por módulos solares

6 6 Dispositivos fotovoltaicos Dispositivos fotovoltaicos Não existem limites no momento de juntar painéis solares

7 7 Dispositivos fotovoltaicos Energia solar fotovoltaica Vantagens o A energia solar não polui durante sua geração de energia. o As centrais necessitam de manutenção mínima. o Painéis solares são a cada dia mais potentes e baratos. o A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso. o Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território. o Em locais longe dos centros de produção energética, sua utilização ajuda a diminuir a demanda energética (Perdas na transmissão). o A radiação solar, produto da energia solar, é gratuita e abundante.

8 8 Dispositivos fotovoltaicos Energia solar fotovoltaica Desvantagens o Um painel solar consome uma quantidade enorme de energia para ser fabricado. o Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de energia. o Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação atmosférica. o Durante a noite não existe produção alguma. o Locais em latitudes médias e altas sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de inverno. o Locais com frequente cobertura de nuvens, tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade. o As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes, quando comparadas aos combustíveis fósseis, a energia hidroelétrica e a biomassa. o Requer um sistema de armazenamento eficiente ou e sistemas de segurança de modo que tenha um fornecimento constante.

9 9 Efeito fotoelétrico O efeito fotoelétrico é a emissão de elétrons por um material, geralmente metálico, quando exposto a uma radiação eletromagnética (como a luz) de frequência suficientemente alta, que depende do material.

10 10 Efeito fotoelétrico

11 11 Efeito fotoelétrico

12 12 Absorção o Semicondutores de gap direto (GaAs)

13 13 Absorção o Semicondutores de gap indireto (Si)

14 14 Junção PN

15 15 Junção PN

16 16 Diodo

17 17 Diodo

18 18 Junção PN (célula solar)

19 19 Junção PN (célula solar)

20 20 Esquema de uma célula solar simples

21 21 Esquema de uma célula solar simples

22 22 Principio de funcionamento A corrente entrega à carga é o resultado de dois componentes internas de corrente que são opostas. o Corrente de iluminação o Corrente no escuro

23 23 Principio de funcionamento Corrente de iluminação Corrente no escuro

24 24 Circuito equivalente (Intrínseco)

25 25 Aproveitamento dos fótons Os fótons criam os pares elétrons buracos e por efeito do campo elétrico na junção PN eles se separam antes de recombinar-se formando assim a corrente elétrica que passa pela célula e a carga. Alguns fótons não são aproveitados o Fótons com energia menor ao gap do material o Fótons com energia maior ao gap não são todos absorvidos o Fótons que são refletidos na superfície da célula

26 26 Curva caraterística I-V A curva I-V de uma célula fotovoltaica representa pares de valores de tensão e intensidade nos quais se pode encontrar funcionando a célula o Tensão de circuito aberto: Valor máximo da tensão nos extremos da célula quando não esta ligada nenhuma carga. o Corrente de curto circuito: Valor máximo da corrente que passa por uma célula fotovoltaica quando não esta ligada nenhuma carga.

27 27 Circuito equivalente de célula solar A seguinte equação representa todos os pares de valores (I/V) em que pode trabalhar uma célula fotovoltaica.

28 28 Circuito equivalente de célula solar Ponto de máxima potencia (P M ): É o produto do valor de tensão máxima (Vm) e intensidade máxima (Im) para os quais a potencia entregada a uma carga é máxima. Fator de forma (FF): Cociente da potencia máxima que pode-se entregar a uma carga entre o produto da tensão do circuito aberto e a intensidade do curto circuito.

29 29 Circuito equivalente de célula solar Eficiência de conversão energética ou rendimento: Cociente entre a máxima potencia que se pode entregar a uma carga (P M ) e a irradiância incidente (P L ) sobre a célula que é o produto da irradiância por a área da célula.

30 30 Circuito equivalente de célula solar

31 31 Circuito equivalente de célula solar

32 32 Condições padrões Os parâmetros anteriores se obtêm em umas condições padrões de medida de uso universal. Irradiância: 1000 W/m 2 = (1 KW/m 2 ) Distribuição espectral da radiação incidente: AM1.5 Temperatura da célula: 25 C

33 33 Influência da temperatura Aumentando a temperatura da célula empiora o funcionamento Aumenta (pouco) a intensidade de curto circuito Diminui a tensão de circuito aberto Fator de forma diminui Rendimento decresce

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