ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 2379EE2

Transcrição

1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 2379EE2 2º semestre de 2016 Prof. Alceu Ferreira Alves

2 Células e módulos fotovoltaicos Princípios da conversão solar-elétrica Tecnologias Curvas características Dados de componentes comerciais Sistemas de Energia Solar Fotovoltaica: Baterias, Controladores de Carga, Inversores, Medidores, Dispositivos de Proteção, Quadros CC e CA, Demais Componentes do Sistema 2379EE2 Energia Solar FV Prof. Alceu Ferreira Alves

3 Energia Solar Depois de liberada a partir das fusões nucleares que ocorrem no núcleo do Sol, a energia atinge a fotosfera, irradia-se no espaço em todas as direções e chega à Terra na forma de fótons. Os fótons se deslocam a km/s, demoram cerca de 8 minpara vencer a distância de aproximadamente 150 x 10 6 km 3

4 Irradiância Extraterrestre 4

5 Energia Solar ao nível do solo Fatores atmosféricos reduzem a quantidade de energia solar que atinge a superfície da Terra: Absorção (esta é a razão para o aquecimento da atmosfera) Reflexão(esta é a razão pela qual os astronautas podem vê-la do espaço) Dispersão(razão pela qual pode-se ler este texto sob a sombra de uma árvore) energia difusa Transmissão direta (razão porque existem as sombras). 5

6 Energia Solar ao nível do solo Quanto mais espessa a camada atmosférica a ser vencida, menorseráairradiânciaaoníveldosolo. Massa de Ar (AM) quanto mais alto o Sol no céu, menor os efeitos de absorção e de dispersão (a poluição potencializa estes efeitos) Resultado: 30% em dias claros, 90% em dias nublados A irradiância solar direta, em um dia de céu claro, representa entre 80% e 90% da energia solar total que atingeasuperfíciedaterra(aprox.1000w/m 2 ). 6

7 Horas de Sol de pico Meio-dia-solar: quando os raios de Sol projetam-se exatamente na direção Norte-Sul, no meridiano local. Pico de Sol: considera-se entre 2h a 3h antes e depois do meio-diasolar. 7

8 Célular Solar (ou Célula Fotovoltaica) Junção p-n semicondutora geralmente construída com: Silício Arseneto de Gálio Telureto de Cádmio DisselenetodeCobreeÍndio **Silíciocristalinoéomaisusado 8

9 Definições Material intrínseco Material semicondutor com alto grau de pureza Dopagem Introdução de átomos de impurezas em um cristal intrínseco para aumentar o número de pares elétron-lacuna (o material dopado é chamado Material Extrínseco )

10 Definições Semicondutor tipo n acrescenta-se impureza pentavalente (doadora); o elétron extra vai para a BC. PORTADORES MAJORITÁRIOS: elétrons da BC PORTADORES MINORITÁRIOS: as lacunas da BV

11 Definições Semicondutor tipo p acrescenta-se impureza trivalente (aceitadora); aumenta o número de lacunas. PORTADORES MAJORITÁRIOS: as lacunas da BV PORTADORES MINORITÁRIOS: os elétrons da BC

12 Junçãop-n Umaextremidadedeumcristaldesilícioougermâniopode serdopadacomoummaterialdotipopeaoutraextremidade comoummaterialdotipon. O resultadoé umajunçãop-n

13 Aproveitamento Espectral da Luz Solar **junçãop-ndesilício 13

14 Aproveitamento Espectral da Luz Solar Seajunçãop-néexpostaàluzsolar,osfótonscomenergia superior ao gap criam novos pares elétron-lacuna, ocasionando uma corrente eletrônica na área da junção; Alguns dos elétrons liberados se recombinam, outros podem circular externamente caso haja um caminho que permita a condução de corrente. Fótons com energia superior ou inferior à necessidade geram calor desnecessário, que diminui a eficiência da célula fotovoltaica. 14

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16 Célula Fotovoltaica É a unidade básica de um sistema fotovoltaico É responsável pela conversão da radiação solar em eletricidade São associadas para gerar potências maiores A associação é encapsulada (para proteção) formando os módulos fotovoltaicos 16

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19 Materiais Silício Cristalino O silício é o segundo material mais abundante na natureza, perdendo apenas para o oxigênio Encontrado na natureza combinado a outros materiais, e se apresenta como dióxido de silício e silicatos (areia e o quartzo são as formas mais comuns) precisa ser purificado Dois graus de purificação: Metalúrgico (98%) e Semicondutor (99,9999%) 19

20 Silício Monocristalino fabricação Método Czochralski: átomos de silício policristalino são orientados formando um único cristal (=mono) Corte em pastilhas, deposita-se fósforo, através de difusão de vapor a temperaturas entre 800 C C Criam-se os contatos frontais e traseiros que recolherão os elétrons liberados pelo efeito fotovoltaico Também é feito um tratamento antirreflexo na parte posterior 20

21 Silício Monocristalino características Eficiência: 15 18% Forma: geralmente arredondadas, ou em formato de fatia de pizza (cortes cilíndricos) Espessura: 0,3 mm. Cor: azul-escuro ou quase preto (com antirreflexo), cinza ou azul-acinzentado (sem antirreflexo) 21

22 Silício Monocristalino aparência 22

23 Silício Policristalino fabricação Fundição de Lingotes:o silício em estado bruto é aquecido no vácuo até uma temperatura de C e depois resfriado até uma temperatura de 800 C Durante o processo de purificação do silício já adiciona-se o Boro ou o Fósforo (economiza energia) Em seguida, o mesmo processo do silício monocristalino: corte em pastilhas, contatos frontais e traseiros, e tratamento antirreflexivo 23

24 Silício Policristalino características Eficiência: 13 15% Forma: geralmente quadrada Espessura: 0,3 mm. Aparência: durante o resfriamento, formam-se vários cristais de silício com orientações diversas. Essa formação multicristalina é facilmente reconhecida Cor: azul (com antirreflexo), cinza prateado (sem antirreflexo) 24

25 Silício Policristalino aparência 25

26 Materiais Filme Fino Células de filme fino apareceram na década de 90 O material semicondutor é aplicado em um substrato (vidro), através de deposição por vaporização, deposição catódica ou banho eletrolítico Devido à alta absorção luminosa, camadas de menor espessura (0,001 mm) são suficientes para converter a luz solar em eletricidade 26

27 Materiais Filme Fino Dopagem mais simples, em menores temperaturas (entre 200 C e 500 C) Custo menor de fabricação, menor preço final dos módulos Tamanho e formato variáveis 27

28 Filme Fino Silício amorfo (a-si) Amorfo = sem forma; não possui uma estrutura cristalina, mas sim uma rede irregular Processo de vaporização química em reatores plasmáticos, em temperaturas relativamente baixas, em torno de 200 C a 250 C Desvantagens: baixa eficiência e alta degradação no primeiro ano de exposição à luz (depois estabiliza) 28

29 Filme Fino Silício amorfo (a-si) Eficiência: 5% 9% Forma: formato livre Espessura: 1-3 mm para o substrato (plástico, vidro, etc.), com um revestimento de silício amorfo de aproximadamente 0,001 mm Cor: castanho avermelhado a azul escuro 29

30 Filme Fino Disseleneto de cobre e índio (CIS) Substrato revestido com uma fina camada de molibdênio A camada CIS do tipo pé obtida por vaporização simultânea do cobre, índio e selênio, numa câmara de vácuo a 500 C Células CIS não são susceptíveis à degradação causada pela luz, mas apresentam problemas de estabilidade em ambientes quentes e úmidos 30

31 Filme Fino Disseleneto de cobre e índio (CIS) Os módulos CIS são os mais eficientes dentre os filmes finos conhecidos Problema: as reservas de índio estão cada vez mais reservadas à produção das telas touch-screendos smartphones e tablets 31

32 Filme Fino Disseleneto de cobre e índio (CIS) Eficiência: 7,5% 9,5% Forma: formato livre Espessura: 3 mm para o substrato, com um revestimento de aproximadamente 0,003 mm Cor: preto 32

33 Filme Fino Telureto de Cádmio (CdTe) Substrato de vidro com uma camada de óxido de estanho índio (OTI) como contato frontal Revestido com uma camada transparente de sulfato de cádmio (CdS) do tipo n e depois com a camada de teluretode cádmio (CdTe) do tipo p Podem ser fabricados por silkscreen, deposição galvânica ou pirólise pulverizada 33

34 Filme Fino Telureto de Cádmio (CdTe) Desvantagem: toxicidade do cádmio O CdTeé um composto atóxico estável, mas pode apresentar um risco para o ambiente e para a saúde na condição de gás (estado gasoso só ocorre durante a fabricação, em centros de produção controlados) 34

35 Filme Fino Telureto de Cádmio (CdTe) Eficiência: 6% 9% Forma: formato livre Espessura: 3 mm para o substrato, com um revestimento de aproximadamente 0,008 mm Cor: verde-escuro a preto 35

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37 Módulos Fotovoltaicos Célula fotovoltaica de silício cristalino produz tensão tipicamente entre 0,46V a 0,56V e corrente aproximada de 30 ma/cm² Para valores comerciais, as células são conectadas em arranjos série/paralelo chamados Módulos Fotovoltaicos Em geral, soldam-se os terminais da parte frontal de uma célula à parte traseira da seguinte, e assim por diante 37

38 Módulos Fotovoltaicos PhotoVoltaic Modules = PV Modules 38

39 Módulos Fotovoltaicos PV As células comerciais operam com correntes na ordem de 1 A, 2.5 A, 3A, 5A e 7A Um módulo com tensão nominal de 12V conta com aproximadamente 30 a 40 células conectadas em série (geralmente 33, 36 ou 40) 39

40 Módulos Fotovoltaicos PV Após a conexão, as células são encapsuladas na seguinte ordem: Uma lâmina de vidro temperado; Um material orgânico, como o EVA (eileno-vinil-acetato); As células conectadas; Mais uma lâmina de EVA (ou similar) Uma cobertura, que pode ser vidro, tedlar, PVC, ou outros polímeros Por fim, o conjunto é emoldurado (utilizando geralmente alumínio anodizado) 40

41 Módulos Fotovoltaicos (PV) São inseridas as caixas de conexão Testes Simulador Solar Testes mecânicos (variação de temperatura, carga mecânica, resistência a granizo e torções) Testes de isolamento sob umidade e congelamento Resistência dos terminais, etc. 41

42 Módulos PV Silício Mono e Poli Classificação principal potência (Wp) e tipo de célula (monocristalina ou policristalina) Forma: quadrada ou retangular Espessura, sem a moldura: 4 cm (máxima) Leves, suportam ligeiras deformações e pequenos esforços mecânicos 42

43 Módulos PV Silício Mono e Poli 43

44 Módulos PV Características Elétricas Tensão Nominal: é a tensão padrão para a qual o módulo foi desenvolvido. A quantidade de células fotovoltaicas determina a Tensão Nominal** (Vn), segundo a tabela: ** módulos standard Módulos Standard sistemas fotovoltaicos isolados Módulos non-standard variados números de células (ex.: 40 ou 60) mais adequados para sistemas on-grid 44

45 Módulos PV Características Elétricas Tensão de Máxima Potência(Vm pp ): é a tensão máxima que o módulo gerará, em seu ponto de máxima potência, sob as condições padrão de teste (STC) Tensão em Circuito Aberto(Voc): é tensão máxima que o módulo fornece em seus terminais, em vazio (sem carga) 45

46 Módulos PV Características Elétricas Corrente em Máxima Potência(Im p ): corrente máxima que um módulo fotovoltaico pode fornecer a uma carga, em condições padrão de teste Corrente de Curto Circuito(Isc): corrente máxima que o módulo fotovoltaico fornece com seus terminais em curto circuito, sob condições padrão de teste Obs.: Diferente das baterias e outras fontes de energia, podemos medir a corrente em curto circuito de um módulo fotovoltaico. A corrente em curto circuito geralmente é 5% superior à corrente máxima. 46

47 Módulos PV Características Elétricas Potência Máxima(P M ): a potência é calculada pelo produto V x I cujo valor máximo é obtido em um único ponto, para dada condição de teste (irradiância e temperatura) Um módulo fotovoltaico estará fornecendo a máxima potência, quando o circuito externo drenar uma carga que determine os valores máximos de tensão e corrente Existem dispositivos que perseguem o ponto de máxima potência (MPP MaximumPower Point) em diversas condições de irradiânciae temperatura. São conhecidos como Seguidores do Ponto de Máxima Potência (MPP Trackers) 47

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49 Módulos PV Características Elétricas Eficiência(η): quociente entre a potência elétrica gerada e a irradiância incidente sobre o módulo Fator de Forma (FillFactor-FF) é um conceito teórico que mede a forma da curva definida pelas variáveis I e V na seguinte equação: 49

50 Módulos PV Características Elétricas Fator de Forma (FillFactor-FF) ou Preenchimento 50

51 Módulos PV Condições de Teste Condições Padrão de Teste (STC Standard Test Conditions) Definem um padrão de irradiância, massa de ar e temperatura (somente em laboratório Simulador Solar). É o padrão industrial, mas existem outros: 51

52 Associação de Módulos PV Painel Fotovoltaico associação de diversos módulos PV (eletricamente) para fornecer valores de tensão e corrente necessários para o sistema a ser alimentado Dependem da carga e do dispositivo de condicionamento de potência e/ou controle (inversor, carregador, etc) Na associação em série, chamada de fileira (string), os módulos terão suas tensões somadas, e a corrente total será a média das correntes de cada módulo 52

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56 Associação de Módulos PV Na associação em paralelo, os módulos terão suas correntes somadas, e a tensão total terá o valor da tensão de um único painel 56

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58 Associação de Módulos PV Na maioria dos casos, será necessário associar os módulos em série, para alcançar a tensão nominal do sistema, e também em paralelo, para alcançar a potência-pico calculada no projeto Nesses casos, temos as caracterísicasdas duas associações anteriores, e maiores perdas ao utilizar módulos de características diferentes. 58

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