Capítulo: 4 Planejamento das Energias Renováveis: Solar e Eólica Parte V

Transcrição

1 Universidade Federal de Paraná Setor de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica Capítulo: 4 Planejamento das Energias Renováveis: Solar e Eólica Parte V Prof.: Clodomiro Unsihuay-Vila

2 Energia Fotovoltaica no Mundo

5 Mercado de Sistemas Fotovoltaicos

6 Energia Fotovoltaica (reportagem 10 min.): ou MPX -Ceará tem primeira usina de energia solar do Brasil (21 Min): _KbqaY

7 Energia Fotovoltaica

10 Irradiança(Radiaçao): Potencia por metro quadrado W/m2. Uma densidade de Potencia. Insolação(Irradiação): Energia por metro quadrado durante um período de tempo, recebida pelo sol ao niveldo solo em determinado local. Exemplo Wh/m2/dia. Onde conseguir esses dados: Mapas de insolação. Estudos de potencial solar. Base de dados: Sundata, calculadora solar, Radiasol, SWERA. Medições usando transdutores apropriados.

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12 Ainda segundo NOTA TÉCNICA EPE - Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira (2012), a irradiação média anual brasileira varia entre e kwh/m2/ano, valores que são significativamente superiores a maioria dos paises europeus, cujas estatísticas indicam intervalos entre 900 e kwh/m2/ano na Alemanha, entre 900 e kwh/m2/ano na França e entre e kwh/m2/ano na Espanha. Mesmo sendo bastante inferior às áreas de maior insolação, como as regiões secas de baixas latitudes como o nordeste brasileiro, Curitiba apresenta uma média de irradiação solar superior à Alemanha, que é ícone mundial em produção e consumo de energia solar fotovoltaica e em 2009 contava com cerca de 15 GW de potência instalados, correspondendo a cerca de 53% do potencial instalado mundial (EPIA, 2011).

13 Movimentos da Terra Eol7CGI

14 Ângulo azimutal A incidência dos raios solares na terra forma um ângulo que quando comparado com o norte geográfico é chamado de azimutal, mudando com o passar do dia em função da trajetória do sol, ou seja, um observador localizado no hemisfério sul olhando para o Norte, observaráosolcomângulosvariáveisaolongododia. Sendo que ao meio dia solar o ângulo azimutal será nulo ou zero estando o Sol exatamente em sua frente. Para observadores no hemisfério norte, o ângulo azimutal é tomado em relação ao sul geográfico.

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16 Para a correta instalação do módulo fotovoltaico deve-se levar em consideração o movimento do sol. Se um módulo for instalado com sua face voltada para o Leste, receberá raios solares apenas no período da manha, de maneira análoga se instalado com sua face voltada para o Oeste, receberá os raios solares apenas no período da tarde, gerando desta forma energia em apenas uma parte do dia. Assim conclui-se que a melhor forma é instalar o módulo com sua face captora voltada para o norte geográfico, resultando em um melhor aproveitamento da luz solar, pois há raios incidindo nos módulos durante todo o dia. Para encontrar o norte geográfico pode-se utilizar uma bússola, pois a agulha da mesma sempre fica alinhada no sentido das linhas de campo magnético da Terra, porém para descobrir a direção do norte geográfico deve-se utilizar um mapa ou uma tabela com os ângulos de correção, estes ângulos variam com a localização geográfica

17 Altura solar A trajetória do Sol varia ao longo do ano, sendo que o Sol nasce e se põe em diferentes pontos do céu, isso ocorre devido ao ângulo de declinação solar. Essa variação da trajetória do Sol faz com que o mesmo tenha diferentes alturas no céu, sendo que no verão a altura do Sol é maior, o que significa que os raios incidem na terra com um ângulo azimutal menor e percorrem uma massa de ar reduzida. Já no inverno ocorre o oposto. O ângulo que a trajetória do Sol faz com o plano horizontal é chamado de ângulo da altura solar. Este ângulo depende também da posição geográfica, sendo que quanto mais próximo a linha do equador maior a altura solar, o oposto ocorre quando aproxima-se dos pólos.

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19 Ângulo de incidência dos raios solares A forma como os raios solares incidem na superfície do módulo varia com vários fatores. O ângulo β de incidência dos raios solares sobreasuperfícieédefinidoemrelaçãoàreta perpendicular à superfície do módulo. Este ângulo varia com a variação do ângulo da altura solar. Tem-se o melhor aproveitamento quandooânguloβézero,ouseja,aincidência dos raios é perpendicular ao módulo.

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21 Escolha do ângulo de inclinação dos módulos solar Mecanismo de seguidor solar são justificados em aplicações de grande porte, com volume de energia gerada elevada. Em sistemas de pequeno porte ângulo de Em sistemas de pequeno porte ângulo de inclinação do painel fixo apresentam o melhor custo benefício. Por isso, para se obter o melhor rendimento é fundamental que os módulos sejam instalados com ângulos α adequados, pois este muda conforme a localização do painel.

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23 Escolha do ângulo de inclinação dos módulos solar É importante ressaltar que não se aconselha a instalação com ângulos menores que 10º para evitar o acúmulo de poeira sobre o módulo. É importante ressaltar que não se aconselha a É importante ressaltar que não se aconselha a instalação com ângulos menores que 10º para evitar o acúmulo de poeira sobre o módulo.

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25 Escolha do ângulo de inclinação dos módulos solar Exemplo: Centro Politécnico tem uma latitude de 25 S. Logo o ângulo de inclinação alfa recomendado é 30 graus.

26 Resumindo: Orientar o módulo com sua fase voltada para o norte geográfico. Ajustar o ângulo de inclinação do módulo com relação ao solo.

27 Energia Solar Fotovoltáica

28 Tecnologias de CelulasFotovoltaicas lmi m74k Discovery: FE

29 O efeito fotovoltaico O efeito fotovoltaico ocorre quando a luz incide em um material semicondutor específico, como a célula fotovoltaica. Nela, o material semicondutor é composto por silício e recebe propriedades dopantes que o dividem eu duas camadas:dematerialnedematerialp. O material N possui um excedente de elétrons e o material P apresenta falta de elétrons. Devido à diferença de concentração de elétrons nas duas camadas de materiais, os elétrons da camada N fluem para a camada Pe criam um campo elétrico dentro de uma zona de depleção, também chamada de barreira de potencial, no interior da estrutura da célula.

30 O efeito fotovoltaico A camada superior de material N de uma célula fotovoltaica é tão fina que a luz pode penetrar nesse material e descarregar sua energia sobre os elétrons, fazendo com que eles tenham energia suficiente para vencer a barreira de potencial e movimentar-sedacamadapparaacamadan. Os elétrons em movimento são coletados pelos eletrodos metálicos da célula fotovoltaica. Se houver um circuito fechado, os elétrons vão circular em direção aos eletrodos da camada P, formando assim uma corrente elétrica.

31 Fonte: Prof. Gonzales.

32 Painel Fotovoltaico

33 Tecnologias de CelulasFotovoltaicas

34 Silício Monocristalino A célula de silício monocristalino é a mais amplamente utilizada comercialmente, de processo construtivo relativamente simples e boa eficiência comparada às células de cristal policristalino e amorfo, entre 12% e 16% para uso comercial. O silício é fundido juntamente com uma pequena quantidade de dopante tipo P, normalmente o Boro, e então cortada em finas fatias de aproximadamente 0,3 mm. Após o corte e limpeza de impurezas, é adicionado o dopante tipo N. Uma célula monocristalina tem aspecto uniforme, podendo apresentar coloração azulada ou preta, dependendo do tipo de tratamento antirreflexivo empregado. As células de silício monocristalino são as mais eficientes disponíveis comercialmente em larga escala.

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36 Silício Policristalino O silício policristalino tem um processo de fabricação mais simples, que utiliza temperaturas mais baixas do que as empregadas na fabricação do silício monocristalino o que acarreta uma perda na eficiência, chegando no máximo a 12,5%, mas ganha-se no baixo custo de fabricação. Os módulos fotovoltaicos policristalinos têm eficiências ligeiramente inferior às dos seus concorrentes monocristalinos, entretanto, as duas tecnologias coexistem no mercado e apresentam relações custobenefício muito próximas.

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39 Sistemas Fotovoltaicos As células fotovoltaicas, devido a suas dimensões construtivas, apresentam baixa tensão e corrente de saída, tipicamente 3 A e 0,7 V para células de silício monocristalino. Sendo assim, agrupam-se várias células fotovoltaicas para compor um módulo fotovoltaico. Este arranjo geralmente é feito em série, para se obter uma tensão de saída mais elevada e compatível com as tensões de consumo, geralmente 12 ou 24 V.

40 Módulos fotovoltaicos A célula fotovoltaica é o menor dispositivo fotovoltaico existente. Uma célula produz pouca eletricidade, então várias células são ligadas sem série para produzir painéis ou módulos fotovoltaicos. Um módulo fotovoltaico é composto de um número de células coladas sobre uma estrutura rígida e ligadas eletricamente em série para proporcionar tensões de saída maiores. Os módulos fotovoltaicos de silício cristalino encontrados no mercado, como os ilustrados na Figuras, apresentam potências de pico entre 85 W e 255 W. Suas tensões máximas de saída em circuito aberto vão até aproximadamente 37 V e podem fornecer emtornode8,5adecorrenteelétrica.

41 Módulos fotovoltaicos

42 Módulos fotovoltaicos

43 Características dos Módulos Fotovoltaicos

47 Características dos Módulos Fotovoltaicos O módulo de silício monocristalino tem como referência comercial o modelo HIP-215NKHE5 do fabricante SANYO, já o módulo de silício policristalino tem como referência comercial o modelo KD70SX-1P do fabricante KYOCERA. Outra informação importante na hora de especificar os módulos fotovoltaicos é a dependência da tensão e da corrente em função do nível de irradiação solar e a temperatura de operação do módulo. Estas informações são importantes para dimensionar corretamente os inversores, uma vez que estes apresentam uma faixa de tensão e corrente em que operam com a máxima eficiência.

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51 Sistemas Fotovolticos

52 SFV Isolados ou Autonomos

53 Energia solar fotovoltaica sistemas conectados à rede elétrica

54 SFV conectados à rede elétrica WU U w