Células solares. Aluno: Giulia Duncan Coutinho Orientador: Marco Aurélio

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1 Células solares Aluno: Giulia Duncan Coutinho Orientador: Marco Aurélio Introdução A crise energética e a busca por energias renováveis têm reacendido o debate sobre fontes alternativas de energia. E nesses debates a energia solar vem ganhando cada vez mais espaço, uma vez que é de fácil implantação, possui custo de manutenção baixo, é uma fonte renovável e ideal para locais onde as radiações solares são abundantes. Mas no Brasil, país que pela área, geografia e localização, entre outros fatores, é potencialmente favorável para o desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos, existe um atraso nesta área em relação a outros países. Com o constante avanço da tecnologia, várias inovações no modo como são fabricados os sistemas para geração de energia solar estão surgindo, contribuindo assim para diminuição dos preços e consequentemente tornando este tipo de energia mais acessível. A radiação solar é um dos maiores responsáveis por grande parte da energia renovável disponível no planeta terra. E por incrível que pareça, apenas uma pequena parte desta forma de energia é utilizada. Esta forma de energia, juntamente com outras formas secundárias, é uma das tecnologias mais importantes para o desenvolvimento de um planeta sustentável. Sua utilização é de extremo interesse para organizações que visam um mundo equilibrado, ecologicamente correto e que não agrida a natureza. Objetivos Estudar a física das células solares, conhecer diferentes tipos de células fotovoltaicas voltadas para aplicações variadas, os equipamentos necessários para realizar uma montagem duma estação de energia solar e propiciar um abrangente contato experimental com células solares, kits e dispositivos que empregam energia solar. Realizar a montagem de um protótipo duma estação de energia solar. Metodologia Na parte inicial se realizaram uma série de pesquisas e trabalho experimental sobre aspectos básicos e alguns conceitos da energia solar. Aprendendo assim aspectos teóricos como teoria de circuitos e cálculos básicos, o efeito fotovoltaico, ligações em serie e paralelo acompanhados de algumas montagens experimentais de circuitos eletrônicos para realizar medições e cálculos aprendidos na pesquisa. Tendo os conceitos de circuitos eletrônicos básicos se procedeu a realizar outra pesquisa sobre a física das células solares, estudando temas como as propriedades fundamentais dos dispositivos semicondutores, a estrutura cristalina dos materiais, estruturas de banda nos átomos, banda de valência e de condução, equilíbrio dos portadores de carga, absorção de luz, recombinação, transporte de carreadores e equações dos semicondutores. Tendo os conceitos teóricos claros e possuindo experiência adquirida na parte pratica da primeira etapa nas seções experimentais, se procedeu estudar e conhecer os dispositivos

2 necessários para a implementação de uma estação de energia solar, como foram os paneis solares, as baterias, o controlador de carga e finalmente o inversor. Finalmente se fez a implementação no laboratório duma pequena estação de energia solar e verificou-se seu correto funcionamento. Resumo de conceitos teóricos pesquisados. 1. Conceito de energia solar Energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa (e, em certo sentido, da energia térmica) proveniente do sol, e posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja diretamente para aquecimento de água ou ainda como energia elétrica ou mecânica. No seu movimento de translação ao redor do sol, a terra recebe 1410 w/m² de energia, medição feita numa superfície normal (em ângulo reto) com o sol. Disso, aproximadamente 19% é absorvido pela atmosfera e 35% é refletido pelas nuvens. Ao passar pela atmosfera terrestre, a maior parte da energia solar está na forma de luz visível e luz ultravioleta. 2. Características da luz solar A geração de energia elétrica através da luz se dá através do uso de células fotossensíveis ou comumente chamadas de células solares, que agrupadas em módulos ou painéis compõem os painéis solares fotovoltaicos. Um sistema composto pelo painel, controlador de carga, acumulador e acessórios, é denominado como Gerador Fotovoltaico. Os geradores fotovoltaicos são muito seguros e simples, não necessitam do controle humano funcionam automaticamente e uma vez adequadamente instalados, não causam acidentes que possam trazer danos. Geram energia na presença da luz; necessariamente não precisam da incidência direta da luz solar, mas é recomendável para se obter o melhor rendimento do painel. Isto significa que há geração elétrica mesmo em dias nublados; O rendimento se altera, conforme há maior ou menor intensidade da luz. A geração só se interrompe na redução quase total de luz. (ex.: à noite). A corrente gerada é de forma contínua e pode ser guardada em acumuladores elétricos (baterias), para uso quando necessário. O sistema é modular, ou seja, vários módulos podem ser conectados entre si, fornecendo a quantidade de energia necessária para o uso, podendo ser expandida, reduzida ou transferida de local conforme uma nova necessidade. Não há limite da capacidade de geração Vantagens da Energia Solar A energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controles existentes atualmente. As centrais necessitam de manutenção mínima. Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que seu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável. A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão. Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de produção energética, sua utilização ajuda a diminuir a demanda energética nestes e consequentemente a perda de energia que ocorreria na transmissão.

3 2.2. Desvantagens da energia Solar Um painel solar consome uma quantidade enorme de energia para ser fabricado. A energia para a fabricação de um painel solar pode ser maior do que a energia gerada por ele. Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de energia. Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação atmosférica (chuvas, neve), além de que durante a noite não existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia. Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com frequente cobertura de nuvens (Curitiba, Londres), tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade. As formas de armazenamento da energia solar são pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), a energia hidroelétrica (água) e a biomassa (bagaço da cana ou bagaço da laranja). 3. Módulos solares Painéis ou módulos solares fotovoltaicos são dispositivos utilizados para converter a energia da luz do Sol em energia elétrica. Os painéis solares fotovoltaicos são compostos por células solares, assim designadas já que captam, em geral, a luz do Sol. Estas células são, por vezes, e com maior propriedade, chamadas de células fotovoltaicas, ou seja, criam uma diferença de potencial elétrico por ação da luz (seja do Sol ou não). As células solares contam com o efeito fotovoltaico para absorver a energia do sol e fazem a corrente elétrica fluir entre duas camadas com cargas opostas Teoria e construção O silício cristalino e o arsenieto de gálio são os materiais mais frequentemente utilizados na produção de células solares. Os cristais de arsenieto de gálio são produzidos especialmente para usos fotovoltaicos, mas os cristais de silício tornam-se uma opção mais econômica, até porque são também produzidos com vista à sua utilização na indústria da microeletrônica. O silício policristalino tem uma percentagem de conversão menor, mas comporta custos reduzidos. O cristal depois de crescido e dopado com boro, é cortado em pequenos discos, polidos para regularizar a superfície, a superfície frontal é dopada com fósforo, e condutores metálicos são depositados em cada superfície: um contato em forma de pente na superfície virada para o Sol e um contato extenso no outro lado. Os painéis solares são construídos dessas células cortadas em formas apropriadas, protegidas da radiação e danos ao manusear pela aplicação de uma capa de resina ou vidro de alta transparência com resistência a intempéries: tempestade, neve, granizo, salinidade, umidade e poeira, e cimentada num substrato (seja um painel rígido ou um flexível). Costumeiramente são fornecidos emoldurados em perfil de alumínio e contém terminais de conexão. As conexões elétricas são feitas em série e em paralelo, conforme se queiram obter maior tensão ou intensidade. A capa que protege deve ser um condutor térmico, pois a célula aquece ao absorver a energia infravermelha do Sol, que não é convertida em energia elétrica. Como o aquecimento da célula reduz a eficiência de operação é desejável reduzir este calor. O resultante desta construção é chamado painel solar.

4 A energia proveniente do painel é em corrente contínua (C) e pode alimentar diretamente equipamentos que utilizam desta propriedade Células Fotoelétricas Células fotoelétricas ou fotovoltaicas são dispositivos capazes de transformar a energia luminosa, proveniente do Sol ou de outra fonte de luz, em energia elétrica. Uma célula fotoelétrica pode funcionar como geradora de energia elétrica a partir da luz, ou como um sensor capaz de medir a intensidade luminosa. Células geradoras de energia são chamadas também de "células solares", por se aproveitarem principalmente da luz solar para gerar energia elétrica. Atualmente, as células solares comerciais ainda apresentam uma baixa eficiência de conversão, da ordem de 16%. Existem células fotovoltaicas com eficiências de até 28%, fabricadas de arsenieto de gálio, mas o seu alto custo limita a produção dessas células solares para o uso da indústria espacial. Por não gerar nenhum tipo de resíduo, a célula solar é considerada uma forma de produção de energia limpa, sendo alvo de estudos em diversos institutos de pesquisa ao redor do mundo. A luz solar produz até 1.0 Watts de energia por metro quadrado, o que representa um enorme potencial energético. A primeira geração fotovoltaica consiste numa camada única e de grande superfície p-n díodo de junção, capaz de gerar energia eléctrica utilizável a partir de fontes de luz com os comprimentos de onda da luz solar. Estas células são normalmente feitas utilizando placas de silício. A primeira geração de células constitui a tecnologia dominante na sua produção comercial, representando mais de 86% do mercado. A segunda geração de materiais fotovoltaicos está baseada no uso de filmes finos de semi-condutores. A vantagem de utilizar estes filmes é a de reduzir a quantidade de materiais necessárias para as produzir, bem como de custos. Atualmente (2006), existem diferentes tecnologias e materiais semicondutores em investigação ou em produção de massa, como o silício amorfo, silício poli-cristalino ou micro-cristalino, telureto de cádmio e Cobre- Índio- Gálio-Selênio ("CIGS"). Tipicamente, as eficiências das células solares de filme fino são baixas quando comparadas com as células tradicionais de silício cristalino, mas os custos de manufactura são também mais baixos, pelo que se pode atingir um preço de instalação mais reduzido por watt. Outra vantagem da reduzida massa é o menor suporte necessário quando se colocam os painéis nos telhados e permite arrumá-los e dispô-los em materiais flexíveis, como os texteis, plásticos ou integração direta nos edifícios. A terceira geração fotovoltáica é muito diferente das duas anteriores, definida por utilizar semicondutores quer dependam da junção p-n para separar partículas carregadas por fotogestão. Estes novos dispositivos incluem células fotoelectroquímicas e células de nanocristais. Ao conjunto de células fotoeléctricas chama-se Placa Fotovoltaica cujo uso hoje é bastante comum em lugares afastados da rede elétrica convencional. Existem placas de várias potências e tensões diferentes para os mais diversos usos. Em residências rurais algumas empresas concessionárias de distribuição usam placas de 75 W de pico e 12 V para guardar energia em baterias de 100 Ah. Este sistema fotovoltaico gera energia suficiente para iluminar uma residência com 3 lâmpadas de 9W e uma tomada para rádio ou TV de 6". O termo "célula fotoelétrica" também é usado para componentes eletrônicos capazes de medir a intensidade luminosa, traduzindo-a em uma corrente elétrica proporcional. Incluem-se nesta categoria os fotodiodos, fototransistores, LDRs (resistores dependentes de luz, à base de sulfeto de cádmio), fotocélulas de selênio e outros. Uma aplicação típica destes sensores de luz é em fotômetros, usados para medir a iluminação de uma cena a ser fotografada Efeito Fotovoltaico

5 O efeito fotovoltaico foi descoberto pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel. Entretanto, só após 1883 que as primeiras células fotoelétricas foram construídas, por Charles Fritts, que cobriu o selênio semicondutor com uma camada extremamente fina de ouro de modo a formar junções. Os módulos são compostos de células solares fabricadas com material semicondutores de eletricidade, na maioria das vezes utilizam o silício, que possui características intermédias entre um condutor e um isolante. O silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados obtémse o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui elétrons livres e portanto é um mau condutor elétrico. Para alterar isto acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Este processo denominasse dopagem. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com elétrons livres ou material com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invés de fósforo, obtêm-se um material com características inversas, ou seja, défice de eléctrones ou material com cargas positivas livres (silício tipo P). Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P (ver Figura 1). Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras. Mas ao serem unidas, exatamente na união P-N, gera-se um campo elétrico devido aos eléctrones do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Figura 1- Princípio de funcionamento de uma célula fotovoltaica (efeito fotovoltaico) Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons que a integram chocam-se com os elétrons da estrutura do silício dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado na união PN, os elétrons são orientados e fluem da camada "P" para a camada "N". Por meio de um condutor externo, liga-se a camada negativa à positiva. Gerase assim um fluxo de elétrons (corrente eléctrica) na conexão. Enquanto a luz continua a incidir na célula, o fluxo de elétrons manter-se-á. A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente. Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Como se viu anteriormente, ao unir-se a camada negativa de uma célula com a positiva da seguinte, os elétrons fluem através dos condutores de uma célula para a

6 outra. Este fluxo repete-se até chegar à última célula do módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria. Cada elétron que abandona o módulo é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexão entre módulo e bateria contém o fluxo, de modo que quando um elétron abandona a última célula do módulo e encaminha-se para a bateria outro elétron entra na primeira célula a partir da bateria. É por isso que se considera inesgotável um dispositivo fotovoltaico. Produz energia eléctrica em resposta à energia luminosa que entra no mesmo. Deve-se esclarecer que uma célula fotovoltaica não pode armazenar energia eléctrica Aplicações dos Painéis Solares Os painéis solares contribuem ainda muito pouco para a produção mundial elétrica, o que atualmente se deve ao custo por watt ser cerca de dez vezes maior que o dos combustíveis fósseis. Tornaram-se rotina em algumas aplicações, tais como as baterias de suporte, alimentação de boias, antenas, dispositivos em estradas ou desertos, crescentemente em parquímetros e semáforos, e de forma experimental são usados para alimentar automóveis em corridas como a World Solar Challenge através da Austrália. Programas em larga escala, oferecendo redução de impostos e incentivos, têm rapidamente surgido em vários países, entre eles a Alemanha, Japão, Estados Unidos e Portugal Características técnicas dos módulos A norma europeia Standard EN especifica quais as características técnicas que os fabricantes devem apresentar nas folhas descritivas das características dos módulos fotovoltaico. Nem todos os fabricantes respeitam esta norma, não fornecendo todas as características técnicas que a norma impõe, que são: Potência nominal de pico. Tensão no ponto de potência máxima. Corrente no ponto de potência máxima. Tensão em circuito aberto. Corrente em curto-circuito. Coeficiente de variação da tensão em função da temperatura. Coeficiente de variação da corrente em função da temperatura. Estes valores são vitais para se poderem realizar estimativas da quantidade de energia gerada, bem como verificar a compatibilidade de ligação com outros componentes do sistema fotovoltaico. Todos estes valores são obtidos em condições de teste. O coeficiente de temperatura é muito importante porque em dias em que o valor de radiação é elevado, a temperatura nas células aumenta, podendo chegar aos 70ºC, causando uma redução do rendimento. Por outro lado, a baixas temperaturas, o valor de tensão em circuito aberto aumenta, colocando em risco o estado da célula fotovoltaica. As características construtivas dos módulos também devem ser evidenciadas, nomeadamente: Dimensões (Comprimento e largura); Espessura. Peso. As características construtivas mencionadas anteriormente são de crucial importância para a realização do projeto, porque estes dados nos permitem escolher as estruturas de suporte e o espaço que os módulos vão ocupar Instalação Os painéis devem ser fixados em locais que tenham total exposição à luz solar durante todo o período diurno.

7 A fixação deve ser feita em suportes ou perfis preferencialmente metálicos e fortemente fixados para receber ventos e tempestades. Recomenda-se o aterramento do suporte. A face de exposição do painel deve estar voltada para o Norte geográfico (no hemisfério sul) e sua inclinação entre 25º a 30º. Figura 2- Inclinação dos painéis Não é recomendável inclinações abaixo de 15º para não permitir o acúmulo de sujeira. O cálculo de inclinação é: Inclinação = Latitude + (Latitude/3) A precisão não é rigorosa, portanto pode ser ajustado por aproximação. Os painéis são fornecidos com a furação adequada para sua fixação. Não faça novos furos para não enfraquecer a estrutura ou permitir a oxidação. A garantia também não cobre painéis adulterados. É recomendado deixar um espaço entre a superfície de fixação e o painel para prover de circulação ar. A ventilação é importante para manter temperaturas mais baixas e evitar a condensação de umidade na parte traseira do mesmo. Painéis podem ser interligados em série ou paralelo, obedecendo à Lei de Ohm, ou seja, quando interligados dois ou mais unidades em paralelo (pólo positivo com pólo positivo e negativo com negativo) a tensão não se altera, mas a corrente é somada. Quando interligados em série (une-se o pólo positivo de um painel ao pólo negativo do outro e toma-se o pólo negativo de um e o pólo positivo do outro para a saída) a tensão se multiplica e a corrente permanece inalterada. Quando ligados em série, todos os painéis devem ter a mesma característica e tipo. Quando ligados em paralelo, esta regra não é rigorosa, porém é recomendável a instalação de diodos para proteção e equalização das cargas Fiação: Para conexão com bateria é sempre recomendável o uso de controladores de carga e descarga. Utilize terminais adequados para as conexões. Evite emendas de fios. Em corrente contínua um dos fios sempre será positivo e o outro negativo, chamado de polaridade. A inversão destes fios (exceto em ligações em série) sempre gerará problemas ou danos aos equipamentos. Utilize cores diferentes para cada pólo e preste sempre atenção à conexão + ou - e à cor dos fios. Os painéis acima de 10W são fornecidos com caixa de conexão, utilizadas para a conexão dos fios e de outros painéis. O acesso à parte interno da caixa é feito removendo se os dois parafusos da tampa. Internamente os painéis acima de 46W já possuem diodo de bypass e estão configurados para a tensão de 12 Volts. Não há necessidade de alterar a pré-configuração exceto em aplicações especiais. Os terminais para a conexão dos fios estão polarizados com os sinais + e -.Há quatro tipos de caixas de conexão para modelos de painéis diferentes.

8 Associação de células Nas condições normalizadas STC (1000W/m²; 25 C), a potência máxima para uma célula de silício de 10 cm², é de cerca de 1,25 W que é uma potência demasiado baixa para a maior parte das utilizações domésticas ou industriais. Desta forma, os geradores fotovoltaicos industriais são realizados através de associações série e/ou paralelo de um grande número de células elementares. Estes agrupamentos são apelidados de módulos e, posteriormente, de painéis. A associação de células deverá ser realizada respeitando critérios precisos de forma a que não existam desequilíbrios durante o funcionamento. Apesar de serem escolhidas células que, teoricamente, são idênticas, as numerosas células que constituem um painel apresentam, forçosamente, pequenas diferenças inevitáveis aos processos de construção e ficarão sujeitas a condições de luminosidade e temperatura não uniformes no seio de um painel. A associação em série de várias células aumenta a tensão aos seus terminais, mantendo a corrente, enquanto que a associação em paralelo aumenta a corrente aos terminais da associação, mantendo a tensão Associação série Num agrupamento ligado em série, as células são atravessadas pela mesma corrente e a característica resultante deste agrupamento é obtida pela adição das tensões aos terminais das células, para um mesmo valor de corrente. Figura 3-Associação de células em série Associação paralela Num agrupamento ligado em paralelo, as células estão submetidas à mesma tensão e as intensidades de corrente adicionam-se: a característica resultante obtém-se por adição de correntes, para um mesmo valor de tensão. A maior parte dos módulos comercializados para aplicações a 12 V, são compostos por 36 células de silício cristalino ligadas em série. Figura 4- Associação de células em paralelo A maior parte dos módulos comercializados para aplicações a 12 V, são compostos por 36 células de silício cristalino ligadas em série Manutenção dos Painéis Os painéis solares requerem manutenção mínima. Para remover a poeira ou depósito de sólidos acumulado limpe-os somente com água e uma esponja não abrasiva ou pano.

9 Detergente ou sabão neutros podem ser usados para remover substâncias mais contaminastes. É recomendável uma inspeção a cada seis meses ou anual para averiguar terminais e apertos. 4. Inversores Muitos equipamentos elétricos, principalmente eletrodomésticos, estão disponíveis apenas em corrente alternada, usualmente na faixa de 127 V e 220 V 60 Hz. O mercado ainda não disponibiliza em corrente contínua toda a gama de equipamentos que podem ser usados em sistemas fotovoltaicos, tais como televisores, DVD, etc. A função do inversor é transformar a energia elétrica contínua das baterias em energia elétrica alternada adequada para estes equipamentos. Usualmente trabalham com tensões de entrada de 12 ou 24 ou 48 Vcc e convertem para 120 ou 240 Vca na freqüência de 60 Hz. Outra vantagem de se trabalhar com inversores é que se eleva o nível de tensão de trabalho reduzindo-se o diâmetro dos cabos elétricos e as perdas ôhmicas já que se trabalha com correntes menores. Através de um inversor, é necessário escolher a potência do mesmo de acordo com a potência de pico do motor e não pela potência contínua (motores de indução, os mais comuns, precisam de uma corrente muito alta na partida, durante uma fração de segundo. Se o inversor não conseguir "passar" esse pico, o motor não funciona mesmo se a sua potência nominal contínua - a única revelada pelo fabricante - é bem inferior à potência do inversor). 5. Controladores de carga Quando um equipamento é ligado à bateria, a quantidade de energia elétrica armazenada nela vai diminuindo à medida que o tempo vai se passando. Para evitar que a bateria se descarregue por completo nos períodos longos sem insolação e de grande consumo, ou seja, tenha uma descarga profunda, é conveniente instalar um controlador de carga. Este acessório monitora a carga da bateria e impede que a mesma se descarregue completamente, aumentando a sua vida útil. Já em períodos de grande insolação e pequeno consumo de energia, a bateria tende a se carregar em excesso, aumentando a sua tensão e reduzindo a sua vida útil. O controlador de carga evita este excesso desconectando o módulo. A proteção do painel solar e os equipamentos conectados ao sistema contra curto circuito, inversão de polaridade e falhas que possam ocorrer, onde porventura, pode comprometer o funcionamento de todo o sistema. O controlador de carga mede a tensão da bateria e protege-a contra a possibilidade de sobrecargas Instalação Recomenda-se a instalação dos controladores o mais próximo possível das baterias, para não provocar perda na fiação e em local à sombra e ventilado. Os controladores fazem a compensação de carga conforme a temperatura do ambiente e se colocados ao sol podem provocar leituras irreais do sistema. Cuidado deve ser tomado com a ligação dos pólos negativo e positivo, para não queimar o fusível de proteção. Os painéis e controladores possuem diodos e componentes de proteção ao circuito, todavia os outros equipamentos conectados podem não ter e estarão sujeitos a danos. 6. Baterias estacionárias A tecnologia dos módulos solares pode ser programada para fazer a transformação da energia solar em energia elétrica até mesmo em dias chuvosos ou nublados com o uso de baterias para energia solar. Em dias mais claros de sol intenso, a energia captada será máxima, já em dias nublados, com pouca luminosidade, a captação de energia solar será bem menor, mas em ambos os casos, há produção de energia.

10 As baterias solares armazenam a energia solar para usos posteriores. Somente com o uso das placas solares, a energia solar captada só poderá ser convertida e utilizada no momento em está sendo feita a conversão da energia solar em elétrica. Daí a importância das baterias. Além disso elas mantém o equilíbrio dessa energia, impedindo que fatores climáticos interfiram no uso dessa energia. Por exemplo, impede que variações de energia aconteçam em caso de chuva ou de nuvens passageiras, por exemplo, que sem o uso das baterias provocariam baixas na energia e até o impedimento do uso de aparelhos. Sistemas solares podem utilizar baterias convencionais, todavia, é recomendável o uso de baterias desenvolvidas especificamente para este uso. As vantagens das baterias de descarga profunda são grandes sobre as convencionais: Regulagem por válvulas Vida útil maior do que as convencionais, quando aplicadas em sistemas solares. Alta confiabilidade Alta densidade de energia Livres de manutenção Baixa resistência na recarga Permitem até 90% de descarga Temperatura de trabalho de - 15º a + 45º C. Não é recomendável: Instalar sistema solar com baterias automotivas, por estas não serem projetadas para uma descarga contínua e constante. Em geral as baterias automotivas proporcionam alta corrente no inicio e reduzem a potencia rapidamente se a descarga for contínua. A resistência na recarga também é mais alta e a vida útil fica comprometida em caso de descargas profundas. Que baterias trabalhem com menos de 50% de sua carga (exceto as de tecnologia spirall-cell) e quando há este risco, o numero de baterias deve ser aumentado. NUNCA INSTALE BATERIA em painel solar SEM O CONTROLADOR DE CARGA, sob o risco de perda da bateria e perigo de explosão e/ou incêndio. É recomendável Na instalação é recomendável o uso de fusíveis, disjuntores ou diodos para proteção. Trabalhe com baterias de descarga de ciclo profundo, com sistema de vasos selados onde o vapor é recuperado e recirculado no acumulador. Combinar baterias da mesma marca e capacidade. Sistemas solares podem utilizar baterias convencionais, todavia, é altamente recomendável o uso de baterias desenvolvidas especificamente para este uso. As vantagens das baterias de descarga profunda são grandes sobre as convencionais: o Regulagem por válvulas o Vida útil maior do que as convencionais, quando aplicadas em sistemas solares. o Alta confiabilidade o Alta densidade de energia o Livres de manutenção o Baixa resistência na recarga o Permitem até 90% de descarga o Temperatura de trabalho de - 15º a + 45º C.

11 6.1. Princípio de funcionamento das Baterias O elemento básico de uma bateria é um conjunto de duas placas, de composições diferentes, mergulhadas num líquido apropriado (o eletrólito) e mantidas afastadas uma da outra por um separador de material isolante, porém poroso de modo que deixasse passar os íons SO4 e H2 e consequentemente a corrente elétrica. O material ativo da placa positiva é o peróxido de chumbo PbO2. O material ativo da placa negativa é o chumbo metálico Pb sob forma esponjosa. O eletrólito é uma solução de ácido sulfúrico SO4H2 e água H2O. A dissimetria química entre as duas placas de materiais diferentes gera uma tensão (voltagem) de aproximadamente 2 Volts. Figura 5- Princípio de funcionamento da bateria Grelha A grelha é uma alma metálica retangular, usada para suportar os materiais ativos da bateria e a conexão que permite a passagem da corrente para o circuito externo (o chumbo esponjoso e o peróxido de chumbo não têm resistência mecânica). Existem duas famílias de grelhas, dependendo do material usado para sua fabricação: Grelha chumbo/antimônio: usada nas baterias automotivas, provoca um consumo de água significativo. Grelha chumbo/cálcio: mais moderna. A grande vantagem da grelha chumbo/cálcio é a redução drástica do consumo de água, permitindo assim a construção de baterias seladas (que não requerem água) Placas Uma grelha empastada com o material ativo torna-se uma placa. A ligação íntima da grelha e do material ativo é uma operação bastante difícil, mas extremamente importante, já que a vida da bateria depende muito da sua qualidade. As placas positivas são carregadas com peróxido de chumbo, uma pasta de cor marrom. As placas negativas são carregadas com chumbo esponjoso, de cor cinza Elementos O elemento é a unidade de base da bateria. Vários elementos, sempre em número par, constituem uma bateria. Uma bateria 12V é composta por 6 elementos ligados em série, uma bateria 24V de 12 elementos ligados em série. Um elemento é constituído pelo mesmo número de placas negativas e positivas alternadas. Para evitar que as placas de polaridade diferente entrassem em curto, cada placa é separada das demais por um separador de material isolante, porém poroso para permitir a circulação do eletrólito e dos íons.

12 Todas as placas da mesma polaridade são ligadas entre se por um conector que, ligado ao conector da polaridade oposta do elemento vizinho, constituirá afinal um pólo da bateria (ligação em série). Sendo as placas ligadas em paralelo, a tensão de um elemento é 2 Volts. O que varia em relação ao sistema inicial de duas placas é a capacidade em Ampères, que depende do número de placas dentro do elemento. Uma bateria automotiva, cuja função principal é gerar uma corrente de alta intensidade (amperagem, até 500A) para dar partida ao motor, necessitará muito mais placas por elemento que uma bateria de serviço destinada a gerar algumas dezenas de Ampères. Daí os dois tipos de bateria mais comuns: a bateria automotiva e a bateria de reserva de energia Caixa A caixa da bateria, geralmente de polietileno, está dividida em células independentes, cada uma para um elemento de 2V. A tampa evidencia os dois pólos (POS + e NEG -) e os orifícios para completar o nível do eletrólito em cada célula. As baterias seladas não têm esses orifícios, mas sim uma válvula para a saída ocasional de hidrogênio e vapor de água Eletrólito A composição do eletrólito (bateria carregada) é a seguinte: Ácido sulfúrico SO4H2: 36% em peso Água H2O : 64% em peso sendo a densidade 1, Dimensionamento de sistemas básicos O dimensionamento do sistema solar é simples quando se aplica uma voltagem e alguns pontos de consumo. O conhecimento básico de alguns valores e grandezas são necessários para tal: Volt (V) é usado para medir Tensões. Ampère (A) é usado para medir Corrente. Watt (W) é utilizado para medir a potência e é o resultado da multiplicação de tensão pela corrente: W = V x A Desta forma, tendo dois valores de grandeza, poderemos calcular o terceiro. Outras medidas encontradas em sistemas solares são: Wp = Watt de pico: é a máxima potência obtida em condições ideais. Wh = Watt hora: a potência gerada ou consumida por hora. É normal em geração de energia se determinar o total gerado em um período de tempo. Ap = Ampère de pico: é a corrente máxima obtida em uma condição ideal. Ah = Ampère hora: a corrente máxima obtida ou consumida em uma hora. Se faz a relação de todos os equipamentos, luzes, etc..., que se pretendem ligar ao sistema, verifique-se o consumo em Watts e a quantidade de horas que cada um ficará ligado por dia. Se multiplicam os valores totais de consumo pelas horas de uso. Se somam os resultados e se tem a demanda diária de energia, ou seja, o valor em Watt x dia. Implementação final Finalmente se fez a implementação dum protótipo de estação de energia solar, usando os seguintes elementos disponíveis no laboratório.

13 2 módulos solares Kyocera KD140 Watts 1 Controlador de carga Nacional 24A 12V Lead 1 Inversor Importado 12V p/110 mod i-volt 1 Bateria

14 Foi implementado o circuito mostrado em seguida, se realizaram medidas de corrente e voltagem em horas do médio dia e se verificou o correto funcionamento com diferentes equipamentos ligados na saída do inversor. Conclusões Se pesquisaram os conceitos básicos da energia solar, assim como os conceitos envolvidos na análise de circuitos, a física das células solares e os principais teoremas da conversão de energia solar.

15 Se fez um amplio trabalho experimental para reforçar os conceitos estudados na pesquisa e ter uma formação básica na medição e cálculos de grandezas eletrônicas nos laboratórios. Foi possível identificar e conhecer os equipamentos necessários para realizar uma montagem duma estação de energia solar. Se identificou os equipamentos básicos e fundamentais para desenvolver a montagem dum protótipo de uma estação de energia solar. Realizada a montagem do protótipo duma estação de energia solar se fizeram medidas de corrente e voltagem nos diferentes elementos do protótipo e se verificou seu correto funcionamento com diferentes eletrodomésticos. Referências 1 - WURFEL, P., WURFEL, U., Physics of solar cells: from basic principles to advanced concepts. 1st Ed. United Kingdom: Wiley-VCH, 256p Gradella Villalva, Marcelo; Gazoli, Jonas Rafael / ERICA. Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações. 225p Antonio Luque & Steven Hegedus, Handbook of Photovoltaic Sci-ence and Engineering, Wiley Ryan Mayfield Photovoltaic design and instalation for dummies, TELLES, P. C. S. Tubulações industriais: materiais, projeto e desenho. 7.ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 384p