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ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
2379EE2
2º semestre de 2016
Prof. Alceu Ferreira Alves
www.feb.unesp.br/dee/docentes/alceu
2379EE2 Energia Solar FV – Prof. Alceu Ferreira Alves – 2016 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
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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 300.000 km/s, demoram cerca de 8 min para vencer a distância de aproximadamente 150 x 106 km
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Irradiância Extraterrestre
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Energia Solar ao nível do solo
Fatores atmosféricos reduzem a quantidade de energiasolar 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).
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Energia Solar ao nível do solo
Quanto mais espessa a camada atmosférica a ser vencida,menor será a irradiância ao nível do solo.
Massa de Ar (AM) → quanto mais “alto” o Sol no céu,menor os efeitos de absorção e de dispersão (a poluiçãopotencializa 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 queatinge a superfície da Terra (aprox. 1000 W/m2).
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Horas de Sol de pico
Meio-dia-solar: quando os raios de Sol projetam-se exatamente nadireção Norte-Sul, no meridiano local.
Pico de Sol: considera-se entre 2h a 3h antes e depois do meio-dia-solar.
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Célular Solar (ou Célula Fotovoltaica)
Junção p-n semicondutora geralmente construída com:
• Silício
• Arseneto de Gálio
• Telureto de Cádmio
• Disseleneto de Cobre e Índio
** Silício cristalino é o mais usado
Definições
Material intrínseco
� Material semicondutor com alto grau de pureza
Dopagem
� Introdução de átomos de impurezas em um cristal intrínsecopara aumentar o número de pares elétron-lacuna
(o material dopado é chamado “Material Extrínseco”)
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
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
Junção p-n
• O resultado é uma junção p-n
• Uma extremidade de um cristal de silício ou germânio pode
ser dopada como um material do tipo p e a outra extremidade
como um material do tipo n.
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Aproveitamento Espectral da Luz Solar
** junção p-n de silício
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Aproveitamento Espectral da Luz Solar
Se a junção p-n é exposta à luz solar, os fótons com energiasuperior ao gap criam novos pares elétron-lacuna,ocasionando uma corrente eletrônica na área da junção;
Alguns dos elétrons liberados se recombinam, outrospodem circular externamente caso haja um caminho quepermita a condução de corrente.
Fótons com energia superior ou inferior à necessidadegeram calor desnecessário, que diminui a eficiência dacélula fotovoltaica.
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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
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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%)
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Silício Monocristalino – fabricação
• Método Czochralski: átomos de silício policristalinosão orientados formando um único cristal (=mono)
• Corte em pastilhas, deposita-se fósforo, através de difusão de vapor a temperaturas entre 800°C - 1200°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
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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)
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Silício Monocristalino – aparência
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Silício Policristalino – fabricação
• Fundição de Lingotes: o silício em estado bruto é aquecido no vácuo até uma temperatura de 1.500°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
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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)
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Silício Policristalino – aparência
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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
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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
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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)
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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
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Filme Fino – Disseleneto de cobre e
índio (CIS)
• Substrato revestido com uma fina camada de molibdênio
• A camada CIS do tipo p é 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
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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-screen dos smartphones e tablets
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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
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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 telureto de cádmio (CdTe) do tipo p
• Podem ser fabricados por silkscreen, deposição galvânica ou pirólise pulverizada
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Filme Fino – Telureto de Cádmio (CdTe)
• Desvantagem: toxicidade do cádmio
• O CdTe é 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)
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• 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
Filme Fino – Telureto de Cádmio (CdTe)
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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
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Módulos Fotovoltaicos
PhotoVoltaic Modules = PV Modules
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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)
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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)
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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.
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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
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Módulos PV – Silício Mono e Poli
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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 → sistemas fotovoltaicos isolados
• Módulos non-standard → variados números de células (ex.: 40 ou 60) – mais adequados para sistemas on-grid
** módulos standard
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Módulos PV – Características Elétricas
• Tensão de Máxima Potência (Vmpp): 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)
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Módulos PV – Características Elétricas
• Corrente em Máxima Potência (Imp): 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.
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Módulos PV – Características Elétricas
• Potência Máxima (PM): 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 → Maximum Power Point) em diversas condições de irradiância e temperatura. São conhecidos como “Seguidores do Ponto de Máxima Potência (MPP Trackers)
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Módulos PV – Características Elétricas
• Eficiência (η): quociente entre a potência elétrica gerada e a irradiância incidente sobre o módulo
• Fator de Forma (Fill Factor - FF) → é um conceito teórico que mede a forma da curva definida pelas variáveis I e V na seguinte equação:
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Módulos PV – Características Elétricas
• Fator de Forma (Fill Factor - FF) ou Preenchimento
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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:
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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
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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
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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 caracterísicas das duas associações anteriores, e maiores perdas ao utilizar módulos de características diferentes.
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