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

1 ENG1116 Tópicos especiais Energia solar

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 Componentes de um sistema fotovoltaico

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 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 Painel solar

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 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 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 Painel solar

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 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 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 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 Painel solar Painel Kyocera KS5T

16 Painel solar Painel Kyocera KS5T

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 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 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 Baterias Associação de baterias

21 Baterias Estrutura de uma bateria

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

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 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 Baterias Bateria HR 5.8-12

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 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 Regulador de carga Características elétricas

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 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 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 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 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 Ligação do sistema

35 Nanotecnologia nas baterias

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

37 Nanotecnologia nas baterias Nanofibras

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

39 Nanotecnologia nas baterias Eletrospinning

43 Nanotecnologia nas baterias Densidade de energia Energia/Peso (Wh/Kg) 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 35 42,5 64 90 135 115 460