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

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1 1 ENG1116 Tópicos especiais Energia solar

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 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

3 3 Componentes de um sistema fotovoltaico

4 4 o Captação Painéis solares Componente que capta a energia solar e gera energia elétrica. o Acumulação Baterias Componente que adapta no tempo a disponibilidade e demanda da energia. o Regulação Regulador Componente encarregado de proporcionar a regulação da carga e descarga das baterias. o Distribuição e consumo Inversor Componentes que adaptam e transladam a energia elétrica gerada à carga.

5 5 Painel solar o Captação Painéis solares Constituído por varias células solares iguais, ligadas eletricamente entre elas em série e/ou paralelo. (Série Paralelo) O painel solar conta com outros elementos que possibilitam proteção frente a fatores externos, assegurando um bom funcionamento e possibilitando uma boa sujeição as estruturas de suporte e permitindo a ligação elétrica

6 6 Painel solar

7 7 Painel solar o Coberta exterior de face ao sol. Diferentes materiais transparentes (Vidro temperado) que facilitam ao máximo a transmissão da radiação solar. o Resistência mecânica o Alta transmissão o Composição baixa em ferro o Encapsulante. o Geralmente de silicone ou EVA (Espuma vinílica acetinada). o É muito importante que não seja afetada sua transparência pela continua exposição ao sol o Se procura um índice de refração similar à coberta exterior para não alterar as condições da radiação solar.

8 8 Painel solar o Coberta posterior. o Igualmente deve dar rigidez e uma grande proteção frente a os agentes atmosféricos. o Usualmente se usam lâminas formadas por distintas capas de materiais de diferentes características o Quadro metálico. o De alumínio, que segura o conjunto de partes à estrutura exterior do painel. o A junção entre o quadro metálico e os elementos que formam o modulo está realizada mediante distintos tipos de sistemas resistentes às condições de trabalho do painel.

9 9 Painel solar o Cabeamento e conectores. o Habituais nas instalações elétricas. o Protegidos da intempérie por meio de caixas fixadas no painel. o Diodo de proteção. o Protege contra sobre cargas ou outras alterações das condições de funcionamento do painel.

10 10 Painel solar

11 11 Painel solar o Os painéis solares têm entre 28 e 40 células. o O mais típico é que tenham 36. o A superfície do painel ou módulo pode variar entre 0.1 e 0.5 m 2 e presenta dois conectores na saída (+ e -), alguns podem ter 3 para ligar o diodo de proteção. o Normalmente os painéis estão desenhados para trabalhar em combinação com baterias com tensões múltiplos de 12 V.

12 12 Painel solar Características elétricas do painel solar o A fabricação, comportamento e características elétricas e mecânicas do módulo fotovoltaico, vem determinadas na folha de características do produto que proporciona o fabricante. o Ao igual que na célula solar, são importantes os seguintes parâmetros o Potencia máxima o Tensão de máxima potencia o Corrente de máxima potencia o Tensão de circuito aberto o Corrente de curto circuito

13 13 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

14 14 Painel solar Comportamento do painel fotovoltaico o Intensidade de corrente aumenta com a radiação, permanecendo mais ou menos constante a voltagem. o Um médio dia com pleno sol equivale a uma radiação de 1000 W/m 2. o Com o céu coberto, a radiação decai para 100 W/m 2. o Exposição ao sol das células provocam seu esquentamento. o Uma radiação de 1000 W/m 2 pode esquentar em +30 C. o A tensão então diminui. o Sistemas com concentradores devem ter desenho especiais para dissipar calor.

15 15 Painel solar Painel Kyocera KS5T

16 16 Painel solar Painel Kyocera KS5T

17 17 Baterias o Conjunto de baterias em série e/ou paralelo para armazenar a energia. o Fiabilidade do sistema depende em grande parte do sistema de acumulação. o Bateria o É um dispositivo que armazena energia. o É um gerador secundário. o Principio de funcionamento o Processo eletroquímico reversível chamado Reação redox (Reduçãooxidação) ou oxirredução

18 18 o Voltagem Baterias Parâmetros o Capacidade de carga o Quantidade de eletricidade que pode-se obter mediante descarga total de uma bateria inicialmente carregada ao máximo [Ah] o Eficiência de carga o Relação entre a energia fornecida à bateria e a energia realmente armazenada o Auto descarga o É o processo mediante o qual o acumulador se descarga sem estar em uso

19 19 Baterias Parâmetros o Energia e massa o Constante de carga e descarga C = Capacidade de carga(mah) 1000 o Efeito memoria o Profundidade de descarga o Valor em porcentual da energia tirada de um acumulador o Ex: Bateria de 100 Ah descarregando-se a 20 Ah = profundidade de descarga do 20 % o Descargas superficiais de menos do 20 % o Descargas profundas de até 80 %

20 20 Baterias Associação de baterias

21 21 Baterias Estrutura de uma bateria

22 22 Baterias Dinâmica das baterias o Ânodo Cátodo (descarregar) o Cátodo Ânodo (carregar)

23 23 Baterias Tipos de baterias o Chumbo ácido (Pb-ácido) o Menor auto descarga o Manutenção simples o Deterioram-se menos com o passo dos ciclos de carga e descarga o Boa resposta para baixos níveis de carga o Vida meia de 10 anos o Níquel-Cádmio (Ni-Cd) o Permanecer um longe de tempo com baixo estado de carga o Estabilidade na tensão fornecida o Manutenção mais espaçada no tempo o Custo muito mais alto (x4) o Baixa capacidade numa descarga lenta o Níquel-Zinco (Ni-Zn) o Zinco-Cloro (Zn-Cl2) o Íon-Li o Po-Li

24 24 Baterias Aspectos importantes o Instalar as baterias em lugares com boa ventilação o Ajustar o nível do eletrólito até a altura recomendada o Manutenção aos conectores das baterias (vaselina) o Não usar as baterias para o arranque de veículos o Não usar diferentes tipos de baterias (se não estão preparadas para isso) o Prevenir curtos circuitos respeitando a polaridade, e isolando as ligações o Baterias instaladas acima do nível do chão

25 25 Baterias Bateria HR

26 26 Regulador de carga o Para um funcionamento satisfatório da instalação na ligação dos painéis com as baterias, o sistema deve ter um regulador de carga o Regulador sempre necessário menos nas instalações com painéis autorregulados o A funcionalidade principal é evitar que a bateria continue recebendo energia do painel solar depois de atingir sua carga máxima o Gasificação o Esquentamento o Diminui a vida útil da bateria

27 27 Regulador de carga o Prevenção de sobre descarga o Diminui a vida útil da bateria o Alguns reguladores incorporam alarmes previas à desligamento o O usuário pode tomar medidas adicionais o Alguns reguladores informam o estado de carga da bateria, tensão, e estão previstos com sistemas de proteção como diodos, fusíveis, etc. o Diodos adicionais para evitar fluxo de energia das baterias aos painéis na obscuridade

28 28 Regulador de carga Características elétricas

29 29 Inversor o Conversor ou inversor, adaptam características da corrente gerada à demanda total ou parcial para as aplicações. o Corrente continua gerada o Corrente continua consumida o Não são as mesmas tensões de trabalho Inversor de corrente continua o Corrente alternada consumida o Se usa um inversor de corrente continua corrente alternada

30 30 Inversor Características o Tensão de entrada (adaptada à tensão do gerador) o Potencia máxima que pode proporcionar o Eficiência o Relação entre potencia que entrega o inversor (potência de saída) e potencia que extrai do gerador (potência de entrada) o A eficiência do inversor varia em função da potência consumida pela carga

31 31 Inversor Recomendações do inversor o Eficiência alta (eficiência baixa requer de aumento de painéis solares) o Proteção contra curtos circuitos e sobrecargas o Incorporar desligamento e ligação automáticas quando não esteja em uso (AC) o Admitir demandas instantâneas de potencia maiores ao 200% o Potência contínua o Potência máxima limitada por tempo (20 min) o Potência de surto o A eleição final do inversor depende da carga instalada que será usada o Dependendo da carga se pode escolher um inversor mais simples o Existem diferentes tipos de inversores, existem inversores especificamente desenhados para sistemas fotovoltaicos o Os requisitos e/ou características de cada inversor dependem se o sistema está ligado à rede elétrica

32 32 Inversor Recomendações do inversor o Eficiência alta (eficiência baixa requer de aumento de painéis solares) o Proteção contra curtos circuitos e sobrecargas o Incorporar desligamento e ligação automáticas quando não esteja em uso (AC) o Admitir demandas instantâneas de potencia maiores ao 200% o Potência contínua o Potência máxima limitada por tempo (20 min) o Potência de surto o A eleição final do inversor depende da carga instalada que será usada o Dependendo da carga se pode escolher um inversor mais simples o Existem diferentes tipos de inversores, existem inversores especificamente desenhados para sistemas fotovoltaicos o Os requisitos e/ou características de cada inversor dependem se o sistema está ligado à rede elétrica

33 33 Inversor Inversor Unitron ivolt 1000 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS o Potência máxima de saída: 1000W o Potência de Surto: 2000W o Consumo em Vazio (sem aparelhos ligados à saída): <0,6A o Fusível interno: Sim Outras características: o Tensão de Saída (Nominal, RMS): 115Vca +/- 10% o Frequência de Saída: 60 +/- 4Hz o Forma de Onda: Senoidal modificada o Alarme de Tensão Baixa na Bateria: 10,5 +/- 0,5 Vcc o Tensão de Desligamento: 9,5 +/- 0,5 Vcc o Faixa de Temperatura Ambiente: 0 a +40 ªC o Eficiência (Máxima): 90% o Proteção Contra Sobrecarga na Saída: Sim o Proteção Contra Curto-circuito na Saída: Sim o Proteção Contra Superaquecimento: Sim

34 34 Ligação do sistema

35 35 Nanotecnologia nas baterias

36 36 Nanotecnologia nas baterias Componentes o Ânodo: Grafite o Cátodo: Liga de lítio o Separador: Eletrólito

37 37 Nanotecnologia nas baterias Nanofibras

38 38 Nanotecnologia nas baterias Fabricação das nanofibras o Electrospinning (eletro fiação)

39 39 Nanotecnologia nas baterias Eletrospinning

40 40 Nanotecnologia nas baterias Eletrospinning

41 41 Nanotecnologia nas baterias Eletrospinning

42 42 Nanotecnologia nas baterias Eletrospinning

43 43 Nanotecnologia nas baterias Densidade de energia Energia/Peso (Wh/Kg) ,