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19 Congresso de Iniciao Cientfica

PROTOCOLO DE ENSAIOS E DE TESTES COMPARATIVOS DE DESEMPENHO DE CELULASFOTOVOLTAICAS REFERENTES A ISOLAO INCIDENTE

Autor(es)

MARCUS VINICIUS CASTELLUCCI FERMINO

Orientador(es)

PAULO JORGE MORAES FIGUEIREDO

Apoio Financeiro

PIBIC/CNPQ

1. Introduo

O presente trabalho prope a elaborao de um protocolo de ensaios e testes para verificao do desempenho de placas solares, apartir das caractersticas fornecidas pelos fabricantes. Em decorrncia da deteriorao temporal e de defeitos de fabricao, estesequipamentos podem apresentar rendimento diferente do previsto pelo fabricante. Tendo em vista a crescente preocupao a respeitoda produo energtica sustentvel e a presena crescente de equipamentos fotovoltaicos no cotidiano, o presente trabalho buscacontribuir propondo uma bancada para anlise do comportamento das clulas, a partir de condies padronizadas de exposio, o quepossibilita tanto a anlise comparativa entre equipamentos quanto a verificao das caractersticas preditas nos modelos fornecidospelos fabricantes ao longo da vida til das mesmas. A bancada proposta visa ainda contribuir para a exposio desta modalidadeprodutiva na Universidade atravs de experincias de laboratrio que podero ser realizadas de forma diversificada. RevisoBibliogrfica: As clulas solares so tambm chamadas de clulas fotovoltaicas, pois podem produzir eletricidade a partir de outrasfontes de luz que no o sol graas ao efeito fotoeltrico descoberto em 1839 por Edmund Becquerel. Os tipos mais comuns declulas solares encontradas so as clulas de: Cristais de silcio Filmes Silcio a matria prima de mais de 95% das clulassolares produzidas no mundo. Sua utilizao no sobrecarrega o meio ambiente no quesito extrao, pois o silcio o segundoelemento mais abundante no planeta terra. A maioria das clulas fotovoltaicas feita de cristais de silcio tratados ou dopados demodo a permitir que eltrons sejam liberados quando a luz atinge a clula. Neste sentido as clulas podem ser construdas a partir desilcio policristalino ou monocristalino. SILCIO ELETRNICO O processo de purificao do silcio e posterior obteno do silciopolicristalino ou monocristalino ocorrem como descrito: O material bruto, que disposto em pedras de quartzo, modo e derretidoem um forno de arco eltrico a mais de 2000C, onde o quartzo reduzido em Si e CO2, atravs do coque, seguindo a reao: SiO2(s) + C(s) ? Si (l) + CO2 (g) O silcio lquido que se acumula na parte inferior do forno extrado e resfriado controladamente paraevitar o acmulo de impurezas. Aps essa primeira etapa obtm-se o silcio comercial ou metalrgico, com um grau de pureza daordem de 99%. O prximo passo na purificao do silcio consiste na injeo de silcio metalrgico e cido clordrico (HCl)controladamente, usando-se um reator de leito fluidizado para a criao do gs triclorosilano (SiHCl3), atravs da seguinte reao. Si(s) + 3HCl (g) -> SiHCl3 (l) + H2 (g) Aps esse processo, o triclorosilano reduzido com gs hidrognio para a obteno do silcioeletrnico. O processo de reduo e feito em um reator CVD (deposio de vapor qumico), onde o silcio gasoso se deposita em umtarugo hiperpuro de silcio policristalino em forma de u invertido, com cerca de 250 kg, sendo que esse processo dura em mdia umasemana. A reao ocorre da seguinte forma: SiHCl3 (g) + H2 (g) -> Si (s) + 3HCl (g) O silcio slido ento quebrado e enviadopara as indstrias que fazem clulas fotovoltaicas, que promovem a seleo do material em funo de processos produtivos

especficos. SILCIO POLICRISTALINO O silcio obtido no processo supracitado fundido e so acrescentados materiais dopantes.Aps a fundio, o silcio despejado em moldes para posteriormente a solidificao, ser fatiado em placas. Este silcio obtido atravsde fundio e solidificao sem ordenao dos tomos chamado de silcio policristalino, pois como o prprio nome revela, este composto por mltiplos cristais. Como resultado deste processo, menos sofisticado que a produo de silcio monocristalino, asestruturas cristalinas se formam em tamanhos e formas diversas durante o processo de solidificao. Os gros cristalinos ficamposicionados em posies diversas, o que faz com que tenham fronteiras irregulares entre os mesmos, interferindo na mobilidade doseltrons. Devido a estas caractersticas os painis de silcio policristalino possuem uma menor eficincia energtica quandocomparados aos painis monocristalinos. O custo de produo do silcio policristalino menor e este tambm mais resistente,permitindo que as fatias sejam mais delgadas, com at um tero da espessura de uma fatia de silcio monocristalino. O tipo de clulafotovoltaica mais encontrada no mercado a clula policristalina, representando atualmente mais de 90% do mercado de clulasfotovoltaicas. SILCIO MONOCRISTALINO O silcio monocristalino produzido por um mtodo de fabricao j conhecido eutilizado pela indstria eletrnica, chamado de Processo Czochralski. A fuso de silcio policristalino de alta pureza (silcioeletrnico) com material dopante, ocorre em um cadinho de quartzo e logo aps um pequeno pedao de silcio monocristalino,chamado de semente, introduzido no silcio fundido e retirado rotacionando-se horizontalmente e de maneira lenta. O lingote desilcio que se forma no processo cortado em fatias de espessura aproximada de 200 a 400 nanmetros. As fatias delgadas sotratadas, cobertas e montadas de maneira interconectada nos mdulos fotovoltaicos. FUNCIONAMENTO DAS CLULASSOLARES Uma clula fotovoltaica composta de uma camada finssima de silcio dopado com Fsforo, chamada de silcio tipo N.Esta camada se sobrepe a uma camada mais espessa de silcio tipo P, que dopado por Boro. A clula possui contatos metlicos parao aproveitamento da tenso gerada. Para evitar que a luz reflita, existe uma camada anti-reflexiva que recobre a camada superior dasclulas. Entre as duas camadas se forma uma juno na qual um campo eltrico formado, fazendo com que as cargas se separemquando o silcio atingido por ftons suficientemente energticos. Independentemente do tamanho, uma clula comum de silcioproduz uma diferena de potencial entre as camadas, decorrente da diferena de cargas situadas tipicamente entre 0,5V e 0,6V,quando o circuito se encontra aberto e enquanto a clula estiver exposta luz solar. Entretanto a corrente e conseqentemente apotncia de uma clula fotovoltaica inteiramente dependente de sua rea superficial, da eficincia e da intensidade da luz que atingesua superfcie.

2. Objetivos

Este trabalho tem como objetivo desenvolver uma bancada de testes e procedimentos com a finalidade de comparar o desempenho dasclulas fotovoltaicas. Os mtodos desenvolvidos podero ser utilizados para construo de aulas experimentais atravs das quais osalunos realizaro mltiplos testes em clulas fotovoltaicas.

3. Desenvolvimento

No sentido de atingir o objetivo proposto, foi desenvolvida uma bancada de testes de placas fotovoltaicas, alm do desenvolvimentode um software especfico e de circuitos eletrnicos para automatizao dos testes. A bancada de testes consiste em uma estruturametlica retangular feita de cantoneiras e tubos quadrados, que suporta a placa na sua poro inferior e um suporte de madeira comlmpadas halgenas de 100w na poro superior. Na figura 1 possvel visualizar melhor a bancada. As lmpadas halgenas de 100wforam escolhidas devido a sua caracterstica de restabelecer seu filamento quando a mesma e desenergizada. O software decontrole e interface foi criado utilizando-se o programa LabVIEW, software este que usa blocos lgicos de programao para facilitarseu uso. A figura 2 ilustra a rea de trabalho de gerenciamento da bancada, o qual responsvel pelas combinaes de acionamentosdas lmpadas. Para a interface entre a bancada e o computador, foi usada uma placa de aquisio de dados USB-1208-LS, com duasentradas analgicas. A entrada analgica 2 da placa tem seu valor exibido no mostrador digital chamado Corrente. Para que oprograma pudesse medir esta tenso na placa, foi utilizada a entrada 1 da placa de aquisio e o resultado desta medio exibido nomostrador digital chamado "Tenso". O programa tambm calcula a potncia resultante, que a placa gerou atravs da corrente e datenso momentneas, usando-se do calculo P=U.i, onde P potncia U e tenso e i corrente. Para se estabelecer a relao luz xtenses, foram realizadas 1024 combinaes diferentes, em funo da quantidade de lmpadas disponveis na bancada. Quando todasas lmpadas so acesas, tem-se disponvel 1000W e quando todas estiverem apagadas teremos 0W. O mtodo de aquisio de dadospode ser feita tanto automaticamente, quanto manualmente. Quando os acionamentos so feitos manualmente, a obteno dos dadosatravs do programa deve ser feita pausadamente, visto que necessrio interromper a obteno de dados sempre que for modificar acomutao das chaves. Para isso so necessrias pelo menos duas pessoas, uma para comutar as chaves e outra para pausar e reiniciara obteno de dados no programa. Adotando um tempo de pausa de 10s para a estabilizao da corrente e tenso geradas pela placa, otempo gasto para cada bateria de testes de cerca de 5h. O modo automtico facilita a obteno dos dados, uma vez que no necessria a comutao manual das chaves, sendo esta automtica realizada atravs de rels ligados as sadas da placa controladora. Ofuncionamento do programa automtico se da atravs de uma soma binria, onde a cada etapa concluda soma-se um bit, que vai de0000000000 a 1111111111. Alm das comutaes, temos que respeitar um determinado tempo de estabilizao, visto que a geraode energia eltrica na placa no instantnea. Com isso, existe no programa um campo que permite escolher o tempo que cada

combinao permanece acesa.

4. Resultado e Discusso

Os resultados obtidos foram apresentados em grficos onde o valor no eixo das ordenadas se refere ao estado da lmpada, ou seja, 0para desligado e 1 para ligado. J o eixo das abscissas informa quais lmpadas esto acionadas e este deve ser considerado como olocal onde se localiza a placa fotovoltaica. Devem-se desprezar os valores negativos e numricos, uma vez que o intuito dos grficos mostrar qualitativamente a localizao da lmpada e seu estado de acionamento em relao placa. O grfico 1 da figura 3 ilustrauma gerao de potncia de 0,003W. Atravs deste grfico possvel notar que quanto mais distribuida a iluminao, melhor agerao. Nesse caso observa-se que a lmpada acesa a cinco, situada na direo central da placa. No grfico 2 da figura 3 pode-senotar que somente as lmpadas um e dez esto acionadas. Na respectiva configurao a gerao de potncia de 0,015W, ou seja,muito maior que a configurao anterior. O que difere que no h concentrao de luz em um ponto, e isso faz com que gerao sejamelhorada. No grfico 3 da figura 3 pode-se notar que as lmpadas um, cinco e dez esto acesas. Nesta configurao possivelperceber um aumento significativo da potncia gerada, uma vez que neste momento estamos gerando 0,323W, potncia esta que 21,5 vezes maior que a configurao anterior, onde somente as lmpadas um e dez estavam acionadas. No grfico 4 da figura 3 possivel notar que todas as lmpadas estao acionadas exceto a lmpada cinco. Nesta configurao a potncia gerada de 1,125W, que 3,5 vezes maior que na configurao anterior, e pode-se notar que a distribuio de luz afeta diretamente a gerao de energia daplaca.

5. Consideraes Finais

O presente trabalho teve como objetivo a criao de um protocolo de ensaios que pode ser inserido na Universidade atravs deexperincias de laboratrio usando-se placas fotovoltaicas. Os mtodos citados aqui podero servir de embasamento para comparaode mdulos solares, ou seja, avaliar o custo beneficio de determinado fabricante e determinado tipo de placa. Tambm poderam seravaliadas situaes de degradao do uso da placa e suas influncias na gerao de energia. Conforme mostrado nos grficos, tanto aintensidade de luz, quanto a distribuio so fatores relevantes para o bom funcionamento da placa, ou seja, as clulas fotovoltaicasso diretamente afetadas pela ausencia de luz e pela m distribuio da mesma. Como desdobramentos para esta pesquisa, umasugesto a anlise da variao da rede eltrica nos resultados, sendo que esta variao est diretamente ligada a oscilao de 60Hzda rede. Essas oscilaes podem afetar os resultados devido ao trecho em que a tenso na lmpada atinge 0V, pois nesse momento huma reduo de brilho que no visivel ao olho humano, mas percebida pela placa coletora de dados. Para contornar esse problema,usou-se capacitores para que de certa forma o sinal ficasse estabilizado.

Referncias Bibliogrficas

AMALFI, Silvio L. Energia Solar. Monografia (especialista) Ps-Graduao em fontes alternativas de energia da UniversidadeFederal de Lavras MG, 2005. Disponvel em: . Acesso em: 21 dez. 10 DINIZ, D.M. Anlise do Alinhamento Direcional noDesempenho de Clulas Fotovoltaicas: Um estudo de caso para a regio de Santa Brbara dOeste - Brasil, SP. 2011. Pesquisa deIniciao Cientfica - Programas Institucionais de Iniciao Cientfica PIBIC/FAPIC, Universidade Metodista de Piracicaba, SantaBrbara dOeste, 2011. Disponvel em: Acesso em: 25 jan. 11 Disponvel em: Acesso em: 24 jul. 11 FEDRIZZI, Maria Cristina.Sistemas fotovoltaicos de abastecimento de gua para uso comunitrio: lies apreendidas e procedimentos para potencializar suadifuso. Tese (doutorado) - Programa interunidades de ps-graduao em energia da Universidade de So Paulo, 2003. MDICI, M.Avaliao Tcnica e Econmica de Sistemas Integrados de Gerao de Energia Eltrica e gua Quente a partir da Energia Solar: Umestudo do caso para a regio de Santa Brbara dOeste, SP. 2002. Pesquisa de Iniciao Cientfica - Programas Institucionais deIniciao Cientfica PIBIC/FAPIC, Universidade Metodista de Piracicaba, Santa Brbara dOeste, 2002. PEREIRA, Luz M.N.Produo e caracterizao de silcio policristalino e suas aplicaes a TFTs. Universidade Nova de Lisboa. Lisboa, Portugal, 2008.PESQUISA FAPESP (2010) - Soluo que vem do cu (Matria de Alex Sander Alcntara). So Paulo: FAPESP, maro de 2010.Anexos

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