Sistemas de Energia Solar e Eólica Professor: Jorge Andrés Cormane Angarita

Transcrição

1 Sistemas de Energia Solar e Eólica Professor: Jorge Andrés Cormane Angarita

2 Dispositivos para a Conversão Fotovoltaica Sistemas de Energia Solar Fotovoltaica 2

3 Conversão Fotovoltaica A energia solar pode ser convertida diretamente em eletricidade com ajuda da tecnologia de células fotovoltaicas Viabilidade econômica da tecnologia em aplicações de pequeno porte Sistemas isolados Serviços Produtos de consumo 3

4 Historia Prefixo indicativo de LUZ FOTOVOLTAICO Do grego Photo Físico Italiano que inventou a PILHA ELÉTRICA 4

5 Historia Século XIX Estudos sobre os fenômenos físicos que permitiam a conversão da luz em energia elétrica Século XX Desenvolvimento da tecnologia dos semicondutores e crescimento da indústria fotovoltaica Século XXI Popularização da tecnologia Fotovoltaica 5

6 Historia (Século XIX) 1839 Alexandre Edmond Becquerel Descobriu que uma solução de um eletrólito exposta à radiação luminosa, tem sua condutividade aumentada 1873 Willoughby Smith Descobriu a fotocondutividade no selênio sólido William Grylls Adams e Richard Evans Day Observaram um comportamento similar na junção entre o selênio sólido e a platina (outro tipo de semicondutor) 6

7 Historia (Século XX-XXI) 1905 Albert Einstein (Nobel) Explicou o efeito fotoelétrico que tem uma relação estreita com o efeito fotovoltaico Expansão da tecnologia no mercado mundial pelas aplicações na indústria aeroespacial e militar >1990 Utilizada para a geração de eletricidade de forma distribuída em unidades consumidoras isoladas e interligadas à rede 7

8 Efeito Fotovoltaico Fenômeno físico que permite a conversão direta da energia contida nos fótons (radiação luminosa) em eletricidade Absorção da energia contida nos fótons presentes na radiação Solar Ocorre em certos materiais semicondutores Quebra das ligações químicas entre as moléculas 8

9 Efeito Fotovoltaico Estrutura do semicondutor Camada p Junção p-n Camada n camada n tipo doador densidade de carga negativa produção de elétrons livres camada p tipo receptor densidade de carga positiva produção de lacunas junção p-n região na qual cria-se um campo elétrico para o fluxo das cargas 9

10 Efeito Fotovoltaico A energia do fóton é dada pela expressão 19 ev J 1 1, A energia necessária para fazer os elétrons mudarem de banda é chamada energia de gap (Eg) e depende do tipo do material utilizado 10

11 Efeito Fotovoltaico Se Ef>Eg Liberação do elétron da banda de valência Deslocamento das cargas através da junção Geração de portadores de carga (par elétron-lacuna) Extração forçada das cargas (circuito elétrico) A energia necessária para fazer os elétrons mudarem de banda é chamada energia de gap (Eg) e depende do tipo do material utilizado 11

12 Efeito Fotovoltaico Animação Source: n.html 12

13 Células Fotovoltaicas A maioria das células fotovoltaicas disponíveis comercialmente utilizam Silício como material semicondutor para a sua fabricação material abundante e barato tecnologia de tratamento aperfeiçoada encontradas comumente no mercado Silício monocristalino Silício policristalino Silicio amorfo 13

14 Células Fotovoltaicas Existem novos materiais (alguns ainda em estudo) e outros em escala reduzida de comercialização (são mais caros) material orgânico material plástico 14

15 Células Fotovoltaicas Características construtivas das células área: 50 ~ 150 cm2 espessura: 0,2 ~ 0,3 mm forma: circular ou quadrada aparência: azul-escuro ou preto com raias cinzas 15

16 Células Fotovoltaicas Características operacionais das células máxima potência: em condições de ºC corrente de operação: 32 ma/cm2 tensão de operação: 0,46~0,48 V 16

17 Circuito Equivalente Ideal É possível representar a célula fotovoltaica a partir de um circuito elétrico Aplicando a lei de Kirchhoff I I I L d 1 I L - corrente fotogerada I d - corrente do diodo I - corrente de saída V - tensão aplicada aos terminais do diodo 17

18 Circuito Equivalente Ideal A corrente que flui através do diodo Id Io e ev mkt c 1 2 I o - corrente de saturação reversa e - - carga do elétron (1,602x10-19 C) k - constante de Boltzmann (1,381x10-23 J/K) T c - temperatura de operação (298,15 K ~ 25 C) m - fator idealidade do diodo (entre 1 e 2 para Simonocristalino) 18

19 Circuito Equivalente Ideal Substituindo (2) em (1) tem-se a corrente da célula fotovoltaica, em função da tensão ev mkt c I IL Io e

20 Circuito Equivalente Ideal Condição de curto-circuito (V=0) ev mkt c I IL Io e 1 3 I IL Isc IL A corrente do dispositivo é a corrente fotogerada 20

21 Circuito Equivalente Ideal Condição de circuito-aberto (I=0) ev mkt c I IL Io e 1 3 V mkt c I L IL I mkt o c I L ln 1 Voc ln e Io e Io A tensão aumenta com a corrente fotogerada e diminui com a temperatura 21

22 Circuito Equivalente Real Nesse circuito são levadas em consideração as perdas resistivas decorrentes Processo de conversão fotovoltaica Resistência paralelo Efeito das correntes parasitas produzidas nas bordas da célula e nas irregularidades ou impurezas do material Transmissão da corrente fotogerada Resistência série Perdas ôhmicas do material, das metalizações e do contato metal-semicondutor 22

23 Circuito Equivalente Real Aplicando a lei de Kirchhoff I IL Id I p 1 R s resistência em série R p resistência em paralelo I p corrente parasita V d tensão do diodo 23

24 Circuito Equivalente Real A tensão aplicada e a corrente que flui através do diodo Id Io e ev d mkt c V V IR d s I p V R IR p s 4 24

25 Circuito Equivalente Real Substituindo (2), (3) e (4) em (1) tem-se a corrente da célula fotovoltaica, em função da tensão ev d mkt c V IRs I IL Ioe 1 5 Rp 25

26 Análise de Desempenho Curva I-V representação dos valores da corrente de saída de um conversor fotovoltaico em função da tensão, para condições preestabelecidas de temperatura e radiação permite identificar os parâmetros que determinam o desempenho da célula Solar 26

27 Análise de Desempenho Tensão de circuito aberto Corrente de curto-circuito Tensão e Corrente de máxima potência Ponto de máxima potência 27

28 Curva I-V vs. Irradiância Pouca variação da tensão 28

29 Curva I-V vs. Temperatura Pouca variação da corrente 29

30 Formas de Interligação São usadas interligações série/paralelo para obter os níveis das tensões e correntes de operação 30

31 Análise de Desempenho Curva P-V corresponde à potência instantânea obtida através do produto tensão-corrente (I sc,0) e (0,V oc ) não há transferência de potência Si-mono (0,5~0,7V) Si-amorfo (0,6~0,9V) V mp 0, 75 0,90 V oc I mp 0,85 0,95 I sc No ponto (Imp,Vmp) ocorre a máxima transferência de potência da célula para a carga 31

32 Análise de Desempenho Máxima Transferência de Potência Transferência de Potência Nula Transferência de Potência Nula 32

33 Fator de Preenchimento ou de Forma (Fill factor) Definição Figura de mérito que define o quão próximo a curva I-V real está da curva idealizada Interpretação matemática Razão entre a potência máxima e o produto da corrente de curto-circuito e a tensão de circuito aberto FF I I mp sc V V mp oc 33

34 Fator de Preenchimento ou de Forma (Fill factor) Interpretação gráfica Razão das áreas dos retângulos definidos pelos vértices (I sc,0) e (0,V oc ), e os vértices (I mp,0) e (0,V mp ). Valores de Referência 0,6 a 0,85 Si-mono 0,5 a 0,7 Si-amorfo 34

35 Eficiência Definição Razão entre a máxima potência elétrica gerada pelo dispositivo e a potência nele incidente Limitações tecnológicas e perdas inerentes ao processo de conversão P P FF V I P AH A1000 gerada mp oc sc incidente Condição Ideal Área do plano da célula Irradiância Ideal no plano da célula 35

36 Eficiência 36

37 Valores referentes a testes de laboratório ao longo de 45 anos 37

38 Gerador Fotovoltaico Definição Qualquer dispositivo capaz de converter energia Solar em eletricidade por meio do efeito fotovoltaico 38

39 Geradores Fotovoltaicos Conjunto de células Conjunto de módulos Dispositivo básico Conjunto de painéis Em muitos dos casos, módulo, painel e arranjo têm o mesmo significado e são usados indistintamente na literatura 39

40 Módulos Fotovoltaicos Características construtivas Encapsulamento para isolamento e proteção das células Estrutura metálica para aumentar a rigidez mecânica Tipicamente contém 36, 54 ou 60 células Terminais de conexão externas Tamanhos de acordo com a aplicação Tipo de gerador fotovoltaico com maior presença no mercado 40

41 41

42 Módulos Fotovoltaicos Características operacionais Tensões típicas 12, 24 ou 48 V Silício cristalino apresentam correntes ~ 8 A Filme fino apresentam correntes ~ 2 A Potências de acordo com a aplicação Tipo de gerador fotovoltaico com maior presença no mercado 42

43 Módulos Fotovoltaicos Exemplo 1 Calcular o número de células necessárias em um módulo fotovoltaico para carregar uma bateria de 12 V, até uma tensão máxima em torno de 14 V. Célula de Si-mono V oc (célula) = 0,6 V V mp (célula) = 0,47 V Perdas (cabos elétricos e por temperatura) = 2 a 3 V 43

44 Módulos Fotovoltaicos Exemplo 1 (Solução) Será necessário dispor de um módulo que forneça uma tensão de, pelo menos, 16 a 17 V no ponto de máxima potência Vmp módulo 16,5 V 2 mp 0,47 V célula V N s Vmp módulo 16,5 36 V célula 0,47 mp células em série 44

45 Módulos Fotovoltaicos Exemplo 2 Estimar as características elétricas de máxima potência de um módulo, cujos dados de placa se apagaram com o tempo e a única informação disponível é Número de células em série: 72 tecnologia: Si-poli geometria das células: aproximadamente quadradas lado da célula: 12,5 cm 45

46 Módulos Fotovoltaicos Exemplo 2 (Solução) Aplica-se um procedimento prático para responder a questão Ns célula 72 mp 2 12,512,5 156cm área célula 0,46 0,48 V célula V mp 2 32 I célula ma cm 46

47 Módulos Fotovoltaicos Exemplo 2 (Solução) Aplica-se um procedimento prático para responder a questão mp 720, 46 0, 48 16,6 17,3 V módulo V V mp 16,6 17, ,5 P módulo V I W mp mp mp I módulo A 47

48 Processo de Fabricação Etapa 1 Purificação do material Etapa 2 Fabricação da célula Etapa 3 Fabricação do módulo 48

49 Processo de Fabricação 1. Purificação do material Para está aplicação, o silício é extraído do mineral quartzo O Brasil é um dos principais produtores mundiais do minério, embora nenhum dos processos citados seja executado pela indústria nacional 49

50 Processo de Fabricação 2. Fabricação do célula 50

51 Processo de Fabricação 3. Fabricação do módulo 51

52 Processo de Fabricação Silício monocristalino Custo de produção mais elevado O aspecto é uniforme e azulado escuro ou preto Disponíveis em módulos 52

53 Processo de Fabricação Silício policristalino Custo de produção mais elevado mais barato O aspecto é heterogêneo de cor azul Disponíveis em módulos 53

54 Processo de Fabricação Silício amorfo e Filme fino 54

55 Processo de Fabricação Silício amorfo e Filme fino Processo de fabricação mais barato e simples Podem ser fabricados sem restrição de tamanho Sofrem degradação de maneira mais acelerada Não existe diferencia entre célula e módulo 55

56 Processo de Fabricação Silício amorfo e Filme fino 56

57 57

58 I I I I d p e V d mkt c V IRs I I L Io e 1 5 Rp e V d N s mkt V IR c s I I L Io e 1 6 Rp V 0 L d p Id Io e V V IR I e V d mkt c p s V IR R I I I I s L sc L I 0 mkt c I L IL I mkt o c I L V ln 1 Voc ln e Io e Io I FF I N mp sc V V mp oc P P FF V I P AH A1000 s gerada mp oc sc incidente Vmp módulo 16,5 V 2 V célula 0,47 V mp Vmp módulo 16,5 Ns 36 células em série Vmp célula 0,47 célula ,512,5 156 cm ,46 0, , 46 0, 48 16, 6 17,3 16, 6 17, ,5 área célula I célula ma cm mp V célula V mp I módulo A mp V módulo V V mp P módulo V I W mp mp mp V I mp mp 0, 75 0,90 V 0,85 0,95 I oc sc 58

59 Efeito Fotovoltaico Espectro da radiação solar e da energia contida em cada fóton em função do comprimento de onda E[eV] Espectro de radiação Solar Energia do fóton - Ef 1,1 λ[μm] A energia necessária para fazer os elétrons mudarem de banda é chamada energia de gap (Eg) e depende do tipo do material utilizado 59

60 Efeito Fotovoltaico Se Ef>Eg Absorção de energia do fóton Liberação do elétron da banda de valência Rápida recombinação Retorno ao estado inicial de não condução A energia necessária para fazer os elétrons mudarem de banda é chamada energia de gap (Eg) e depende do tipo do material utilizado 60

61 Curvas I-V e P-V A curva I-V representação dos valores da corrente de saída de um conversor fotovoltaico em função da tensão, para condições preestabelecidas de temperatura e radiação 61

62 Circuito Equivalente Real No caso de um modulo fotovoltaico com apenas células conectadas em série, tem se (6) ev d NsmkT V IR c s I IL Ioe 1 6 Rp N s número de células conectadas em série 62