GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA

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1 GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA Pedro Gomes Barbosa Universidade Federal de Juiz de Fora Núcleo de Automação e Eletrônica de Potência Juiz de Fora, MG Brasil pedro.gomes@ufjf.edu.br Julho de 2013 Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

2 Introdução Demanda sempre crescente por novas fontes de energia; Esgotamento das reservas de fontes de energia não renováveis; Carvão; Petróleo; etc. Pressões ambientais para reduzir emissões de gases responsáveis pelo efeito estufa; Conscientização relacionada ao uso racional e eficiente da energia; Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

3 Diversas fontes primárias de ENERGIA! + Por que usar ELETRICIDADE? Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

4 Primeira Revolução Industrial Primeiras máquinas a vapor ) carvão e água; Steam machine # 1. Steam machine # 2. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

5 Corrente Contínua (CC) X Corrente Alternada (CA) + Qual é a MELHOR TECNOLOGIA? Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

6 Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

7 Motivação Sistemas de Geração Alternativos aumentam a oferta local de energia elétrica: Com confiabilidade; Elevados índices de qualidade Surgimento de novos conceitos Redes de distribuição ativas: Microrredes (Microgrids); Redes inteligentes (Smart Grids); Quebra do paradigma da operação dos Sistemas Elétricos: Consumidores podem também ser produtores de energia. (PROSUMERS = PROducer + consumers) Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

8 Rede elétrica moderna SUBTRANSMISSÃO SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO CONVERSORES + - Vd SISTEMA DE GERAÇÃO FOTOVOLTAICO CONVERSORES + - V d MÓDULOS PV Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

9 Aplicação residencial REDE CONVERSORES + Vd - CONTROLADOR PAINEL FOTOVOLTAICO CONVERSORES + V d - CONTROLADOR Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

10 Objetivos 1 Explicar o princípio de funcionamento dos painéis solares fotovoltaicos; 2 Explicar o processo de condicionamento da energia elétrica convertida nos painéis fotovoltaicos; 3 Explicar a estrutura da Usina Solar Fotovoltaica da UFJF e sua utilização como laboratório de pesquisa e desenvolvimento. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

11 Energia do Sol 6% disperso na atmosfera 19% absorvido na atmosfera e nuvens 20% disperso ou absorvido pelas nuvens 4% refletido pela superfície 51% absorvido pela terra Irradiação Global Horizontal (GHI) = Irradiação Difusa Horizontal (DIF) + Irradiação Normal Direta (DNI). Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

12 igura 7) são espelhos côncavos em que, na linha focal, passa circula um fluido térmico. Esse fluido, normalmente óleo e é aquecido à medida que escoa pelo tubo. Finalmente, o calor (gerador de vapor) onde se gera o vapor d água Para aumentar a eficiência e a absorção da energia solar, os sorvedor, giram em torno do próprio eixo acompanhando a imentação faz com que seja necessária a utilização de juntas Tecnologias de geração solar de energia elétrica ntradores cilíndrico-parabólicos.nrel.gov e Heliotérmico Fotovoltaico basicamente os seguintes: cavos, com alta taxa de reflexibilidade (cerca de 93%) e diretamente expostos ao tempo; ), utilizados para aquecer e encaminhar o fluido térmico aos mm de Pedro diâmetro Gomes e são Barbosa tubos (UFJF) de aço inoxidável encapsulados PV Systems Julho de / 36

13 Breve história da energia fotovoltaica 1 Em 1839 Edmond Becquerel observou que alguns materiais produziam eletricidade quando eram expostos à luz; 2 Em 1877 W. G. Adams e R. E. Day desenvolveram o primeiro dispositivo fotovoltaico (baseado em células de selênio); 3 Em 1905 Albert Einstein explicou e formalizou física e matematicamente o efeito fotoelétrico; 4 Em 1921 Einstein ganhou o Prêmio Nobel por seus trabalhos explicando o efeito fotoelétrico; 5 Em 1954 foi produzida a primeira célula fotovoltaica de Si pelo Bell Laboratories - USA. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

14 CONDUTOR, ISOLANTE ou SEMICONDUTOR + Que material USAR? Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

15 Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

16 Bandas de condução & Banda de valência Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

17 Silício INTRÍNSECO (Puro) Si Si Si Si Si Si Si Si Si Átomo de silício. Substrato de cristal silício. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

18 Dopagem com impurezas PENTA e TETRAvalentes Silício Tipo-N Silício Tipo-P Si Si Si Si Si Si Si P Si Si B Si Si Si Si Si Si Si ELÉTRONS livres ) LACUNAS livres ) Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

19 Princípio de funcionamento da célula FOTOVOLTAICA Comentários: A radiação proveniente do Sol fornece energia para os elétrons e lacunas livres na junção semicondutora P-N. fótons grade metálica Uma única célula solar produz uma tensão entre 0,5 e 0,6 V; camadas semicondutoras base metálica n p V Várias células são conectadas em série paralelo formando módulos de até 200W. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

20 stério de Minas e Energia Ministério de Minas e Energia Tecnologias de fabricação - Silício Cristalino de pureza. A obtenção grau de desse pureza. tipo A obtenção de silício é desse mais tipo cara de do silício que a é do mais silício cara policristalino, do que a do silício porém policristalino, temaior eficiência na se conversão. maior eficiência na conversão. porém te cnicas de fabricação As técnicas de células de fabricação policristalinas de células são basicamente policristalinas as são mesmas basicamente de fabricação as mesmas das células de fabricação das célu ocristalinas. É requerido, monocristalinas. porém, É menor requerido, gasto porém, de energia menor e gasto também de energia menor rigor e também no controle menor do rigor no controle esso de fabricação. Essa tecnologia é a forma mais usada comercialmente. processo de fabricação. Silício monocristalino. (grau de pureza 99,9999 %) Silício policristalino. (grau de pureza 99,999 %) Fig. 3. Células de silício Fig. monocristalino 3. Células de silício e policristalino monocristalino e policristalino Fonte:MB Solar Fonte:MB Solar es finos Filmes finos lulas de filmes finos As células (Figura de 4) filmes são produzidas finos (Figura por 4) são meio produzidas de um processo por meio de de depósito um processo de camadas de depósito de cama mamente Pedro Gomes finas extremamente de Barbosa material (UFJF) semicondutor. finas de material São revestidas semicondutor. PV Systems de proteção São revestidas mecânica, de proteção como Julho vidro mecânica, deou 2013 como 20 / vidro 36

21 Tecnologias de fabricação - Filmes Finos Fig. 3. Células de silício monocristalino e policristalino As células são produzidas por um processo de depósito de Fonte:MB Solar camadas extremamente finas de material semicondutor. Os principais materiais usados são: Silício amorfo (a-si), Telureto de cadmio (CdTe), Disseleneto de cobre índio gálio (CIGS). es finos (Figura 4) são produzidas por meio de um processo de depósito de camadas as de material semicondutor. São revestidas de proteção mecânica, como vidro ou riais semicondutores comercialmente utilizados na fabricação dos filmes são silício reto de cadmio (CdTe) ou disseleneto de cobre índio gálio (CIGS). Fig. 4. Células de filme fino Fonte: Deltaenergie tados sobre diversos tipos de substratos de baixo custo (plásticos, vidros e metais), os Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

22 Fig. 6. Componentes dos sistemas de geração fotovoltaicos Fonte: CTI Eficiência dos módulos fotovoltaicos A Tabela 1 mostra a eficiência na conversão direta da energia do Sol em energia elétrica para módulos disponíveis no mercado e a comparação das áreas necessárias para a produção de 1 kw p. Tabela 1. Eficiência típica dos módulos comerciais Tecnologia Eficiência Área/kW p Silício cristalino Monocristalino 13 a 19% ~7m 2 Policristalino 11 a 15% ~8m 2 Filmes finos Silício amorfo (a-si) 4 a 8% ~15m 2 Telureto de Cadmio (Cd-Te) 10 a 11% ~10m 2 Disseleneto de cobre-índio-gálio (CIGS) 7 a 12% ~10m 2 Concentrador fotovoltaico ~25% Fonte: EPIA (2011) Fonte: EPIA (2011). 2.3 Aproveitamento energético heliotérmico (Concentrated Solar Power CSP) O princípio básico desta tecnologia é a utilização de superfícies espelhadas que refletem e concentram a irradiação solar direta DNI, conforme tratado no item 2.1, com o objetivo de convertê-la em energia Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

23 Laboratório solar fotovoltaico da UFJF 31,68 kwp de capacidade instalada; 264 painéis de 120 Wp; 11 arranjos independentes. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

24 Característica dos painéis BP SX W/m 2 V: 33.7 I: V: 33.7 P: W/m 2 V: I: V: P: I [A] W/m W/m 2 V: I: V: I: P [W] W/m W/m W/m W/m 2 V: P: V: P: V [V] Figura 1.1: Estrutura de um sistema de geração dispersa. Parâmetro I mp V mp P max,e I sc V oc Valor 3,56 A 33,7 V 120 W 3,87 A 42,1 V V [V] Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

25 As células PV geram corrente contínua (CC)! + O que? Como FAZER? Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

26 Uma possibilidade! Barramento CC Rede CA CC PV CC CC CA Inversor Conversor Boost CC Banco de Baterias CC Conversor Bidirecional Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

27 Injeção direto na rede elétrica Sistema comercial. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

28 Resultado inversor SMA (comercial) (09/01/2011 a 09/02/2011) Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

29 por um circuito equivalente formado pela fonte de tensão v s em série com a impedância Sistema desenvolvido na UFJF equivalente Żs = R s +! 1 L s,porfase,sendo! 1 =2 f 1 a frequência angular fundamental em (rad/s). O capacitor CC do VSC tem uma resistência R p conectada em paralelo para modelar as perdas CC do sistema. Painel PV Barramento CC p t Sistema do VSC PAC Sistema CA P PV P CC q t p pac I PV I CC q pac Dn D1 Rp V cc v t i R L Transformador de conexão v pac R s L s v s Ceq abc dq DSOGI PLL MPPT e controlador de tensão PWM SVM m dq i dq controlador de corrente edesacoplamento! 1 v dq V cc i d i q Figura 28: Diagrama Laboratório de esquemático solar dofotovoltaico sistema de geração da UFJF. fotovoltaico conectado à rede elétrica de distribuição. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

30 Fotografia da bancada desenvolvida Laboratório solar fotovoltaico da UFJF. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

31 Fotografias do inversor trifásico 75 kva / 220 V Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

32 Formas de onda da tensão e corrente injetada na rede Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36

33 Conclusões Fontes alternativas de energia são hoje uma realidade e uma necessidade; O domínio dessas tecnologias é fundamental para garantir o desenvolvimento e independência do Brasil; Laboratório Solar Fotovoltaico da UFJF está em funcionamento para atividades de ensino e pesquisa, produzindo de energia limpa e injetando na rede elétrica do campus da UFJF. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de / 36