ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 2379EE2

Transcrição

1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 2379EE2 2º semestre de 2017 Prof. Alceu Ferreira Alves www4.feb.unesp.br/dee/docentes/alceu/2379.htm

2 Na última aula: Energia solar complementos da teoria radiação Massa de ar Irradiação diária Célula fotovoltaica funcionamento Tecnologias Módulos Características elétricas Curvas características Condições Padrão de Teste (STC, NOTC) Associação de módulos 2

3 Filme sobre a fabricação de módulos fotovoltaicos 3

4 Módulos PV Condições de Teste Condições Padrão de Teste (STC Standard Test Conditions) 4

5 Massa de Ar (AM air mass) A radiação solar que chega à superfície da Terra depende da espessura e da composição da atmosfera (partículas) A espessura depende da distância do trajeto percorrido pelos raios solares Trajeto Ângulo zenital do Sol 5

6 Massa de Ar (AM air mass) AM = 1 cos Z 6

7 Massa de Ar (AM air mass) AM = 1 = 1, 5 cos(48, 5 ) 7

8 Massa de Ar (AM air mass) Por que usar AM1,5? AM1,5 corresponde ao comportamento médio da radiação solar ao longo de 1 ano nos países temperados do hemisfério norte 8

9 Massa de Ar (AM air mass) AM1,5 inclui EUA, Europa e Ásia pioneiros em FV Zona tropical z é menor, AM é menor, há mais luz e calor ao longo do ano (maior insolação) 9

10 Medidas de Energia Solar (revisando) Irradiância: taxa na qual a energia solar atinge uma unidade de área (J/s.m 2 W/m 2 W.m 2 ) Irradiância também é conhecida por radiância 10

11 Medidas de Energia Solar (revisando) Radiação: integral da irradiância para um determinado período de tempo (W.h/m 2 ) Radiação também é conhecida por irradiação ou insolação 11

12 Orientação dos Módulos Fotovoltaicos Raios solares Ondas eletromagnéticas que chegam à Terra em linha reta (paralelas) Desvios Embora a maior parcela da energia prossiga em linha reta, parte dos raios são desviados: difusão, reflexão Incidência É diferente a inclinação nos diferentes pontos do planeta (depende da posição relativa Terra/Sol) Radiação difusa Aleatória e irregular Radiação direta Orientação adequada maximiza a captação 12

13 Mapa Solarimétrico Brasil 13

14 Orientação ângulo azimutal solar Obs. No hemisfério Sul, o ângulo azimutal solar é medido em relação à orientação NORTE 14

15 Orientação ângulo azimutal solar Ângulo azimutal solar Varia continuamente ao longo do dia (desde o nascente até o poente) Observador no Hemisfério Sul Olhando para o norte, (Equador) verá o Sol à sua direita pela manhã e à sua esquerda durante a tarde Ângulo azimutal nulo É observado ao meio-dia solar (que pouco coincide com o meio-dia civil) 15

16 Orientação dos Módulos Fotovoltaicos Melhor orientação no Hemisfério Sul Norte geográfico (para painéis FV sem rastreamento) 16

17 Orientação dos Módulos Fotovoltaicos Norte geográfico é diferente do Norte magnético 17

18 Orientação dos Módulos Fotovoltaicos Por muito tempo se pensou que o norte geográfico e o norte magnético eram um só. Em 1831, o explorador inglês James Ross verificou que não eram iguais ao chegar ao Ártico e ver que a bússola apontava para o chão, o norte magnético. O norte geográfico resulta do movimento de rotação da Terra; O norte magnético é o resultado do campo magnético gerado pelo movimento do metal fundido do núcleo externo em torno do núcleo metálico sólido da Terra. 18

19 Orientação dos Módulos Fotovoltaicos Uma agulha imantada aponta sempre para o polo norte magnético e, de modo aproximado, para o norte geográfico. O ângulo entre o norte magnético e o geográfico reflete a declinação magnética do lugar e varia geralmente de 20 a 30 graus. Como o campo magnético varia com o tempo, atualmente em São Paulo a diferença entre os dois nortes é de 23 graus. Pela convenção física, o polo magnético norte estaria situado no sul da Terra e vice-versa. Para evitar essa confusão, convencionou-se chamar de polo norte magnético o polo que está próximo ao polo norte geográfico, o mesmo ocorrendo com o polo sul. 19

20 Orientação dos Módulos Fotovoltaicos Como encontrar o Norte geográfico? Subtrai-se o ângulo de correção do norte indicado pela bússola, dependendo da sua localização, corrigindo no sentido horário para um observador no Brasil (Hemisfério Sul) 20

21 Inclinação dos Módulos Fotovoltaicos Declinação Ângulo dos raios solares em relação ao plano do Equador (devido à inclinação do eixo da Terra) 21

22 Declinação Solstícios Declinação máxima Equinócios Declinação zero (raios solares paralelos ao plano do Equador) 22

23 Altura Solar Devido à declinação, a cada dia do ano o Sol descreve uma diferente trajetória (aparente) no céu Inverno A altura solar é menor (Sol mais baixo ) ângulo zenital maior massa de ar maior menor insolação Verão A altura solar é maior (Sol mais alto ) ângulo zenital menor massa de ar menor maior insolação 23

24 Altura Solar 24

25 Altura Solar definição ângulo definido entre o plano da trajetória aparente do Sol no céu e o plano horizontal (g s ) 25

26 Ângulo de Incidência Solar b Ângulo de Inclinação do Painel a Obs. Melhor aproveitamento solar: b = 0 26

27 Ângulo de Inclinação dos Módulos FV Maioria dos Sistemas Ângulo a fixo: é preciso escolher a melhor inclinação para máxima captação 27

28 Ângulo de Inclinação dos Módulos FV Maioria dos Sistemas Ângulo a fixo: é preciso escolher a melhor inclinação para máxima captação 28

29 Ângulo de Inclinação dos Módulos FV É possível escolher o perfil de captação ao longo do ano maximizada ao longo do ano com poucas variações maximizada no inverno maximizada no verão 29

30 Ângulo de Inclinação dos Módulos FV Latitude do Local de Instalação 0 a 10 a = 10 Ângulo de Inclinação Recomendado 11 a 20 a = latitude 21 a 30 a = latitude a 40 a = latitude ou mais a = latitude + 15 Fonte: Installation and Safety Manual of the Bosch Solar Modules 30

31 Orientação dos Módulos Fotovoltaicos Como encontrar o Norte geográfico? Usando o site 31

32 Exercício Calcular o ângulo de inclinação ideal (a) para um painel fotovoltaico a ser instalado na sua localização atual. Calcular os ângulos b e g, considerando a hora atual e o melhor ajuste do ângulo a. Calcular os ângulos azimutal, zenital solar e ângulo de altura solar na hora atual Calcular a massa de ar ao meio-dia solar de hoje, na sua localização atual. 32

33 Módulos PV Características Elétricas Tensão Nominal: é a tensão padrão do módulo. Tensão de Máxima Potência (Vm pp ): é a tensão máxima que o módulo gerará, em seu ponto de máxima potência (STC). Tensão em Circuito Aberto (Voc): é tensão máxima que o módulo fornece em vazio (sem carga) Corrente em Máxima Potência (Im p ): corrente máxima que um módulo pode fornecer a uma carga. Corrente de Curto Circuito (Isc): corrente máxima que o módulo fornece com seus terminais em curto circuito. Potência Máxima (P M ): a potência máxima na curva I-V para dada condição de teste. 33

34 34

35 Efeito da Radiação na Geração FV Corrente do Módulo depende diretamente da irradiância 35

36 Efeito da Temperatura na Geração FV Aumento na Temperatura reduz a tensão fornecida pelo módulo e, consequentemente, a potência gerada 36

37 Efeito da Temperatura na Geração FV Coeficiente de Temperatura necessário para estimar a tensão mínima e a tensão máxima de um arranjo fotovoltaico, devido à variação da temperatura das células fotovoltaicas (verão/inverno) 37

38 Efeito da Temperatura na Geração FV Caso não seja fornecido o Coeficiente de Temperatura há uma tabela de valores genéricos para estimar a tensão mínima e a tensão máxima 38

39 Sombreamento Em situação normal de funcionamento, o módulo fotovoltaico está recebendo radiação solar, as junções PN estão reversas e a incidência de fótons provoca DDP e corrente elétrica 39

40 Sombreamento Sob determinadas condições, se parte do módulo fotovoltaico receber uma sombra, uma ou mais células fotovoltaicas se comporta como diodo diretamente polarizado 40

41 Sombreamento Nessa situação, dependendo da corrente que circula pela carga, o material semicondutor sombreado pode se aquecer a ponto de ser danificado pelo calor O local danificado é chamado de ponto quente (hot-spot) O dano é permanente Isso acontece quando, ao invés de gerar, o módulo recebe corrente Se o sistema operar com baterias, a corrente pode ser muito alta e destruir o módulo fotovoltaico 41

42 Diodo de Desvio By-pass diode Diodo de desvio ou de passagem, evita que excesso de corrente passe na célula com polarização inversa devido ao sombreamento, protegendo-a (normalmente aplicado a um conjunto de células, em geral 18 ou 20) 42

43 Diodos de Bloqueio Diodo de bloqueio normalmente usado em sistemas que utilizam bateria, evitam que o painel se torne uma carga para a bateria, descarregando-a rapidamente (normalmente aplicado a cada string) 43

44 Diodos de Bloqueio 44

45 Sistemas Fotovoltaicos classificação Sistemas Isolados (off-grid) Sistemas Conectados à Rede (on-grid ou grid-tie) 45

46 Sistemas Fotovoltaicos classificação Sistema Isolado não é conectado à rede de distribuição Pode ser Híbrido ou Autônomo (Puro) Sistema autônomo pode ter armazenamento (ou não) 46

47 Sistemas Fotovoltaicos 47

48 Sistemas Fotovoltaicos 48

49 Sistemas Fotovoltaicos 49

50 Sistema Fotovoltaico Off-grid Sistema Isolado não é conectado à rede de distribuição Pode ser Híbrido ou Autônomo (Puro) Sistema autônomo pode ter armazenamento (ou não) Sem armazenamento Ex.: bomba d água Com armazenamento Ex.: iluminação Sistema autônomo CA aplicações domésticas (rural) Sistema autônomo CC sistemas de comunicação em locais distantes 50

51 Sistema Fotovoltaico On-grid Sistema Conectado à Rede é conectado à rede de distribuição O potencial gerado é injetado na rede A rede age como uma carga, absorvendo a energia Geralmente não utilizam sistemas de armazenamento Dependem de regulamentação e legislação, porque usam a rede de distribuição das concessionárias 2379EE2 Energia Solar FV Prof. Alceu Ferreira Alves