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ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

2379EE2

2º semestre de 2017

Prof. Alceu Ferreira Alves

www4.feb.unesp.br/dee/docentes/alceu/2379.htm

22379EE2 Energia Solar FV – Prof. Alceu Ferreira Alves – 2017

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

• Filme sobre a fabricação de módulos fotovoltaicos

Módulos PV – Condições de Teste

• Condições Padrão de Teste (STC – Standard Test Conditions)

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

𝑨𝑴 =𝟏

𝒄𝒐𝒔𝒁

𝑨𝑴 =𝟏

𝒄𝒐𝒔(𝟒𝟖, 𝟓°)= 𝟏, 𝟓

• 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

• 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)

Medidas de Energia Solar (revisando)

• Irradiância: taxa na qual a energia solar atinge uma unidade de área (J/s.m2 W/m2 W.m–2)Irradiância também é conhecida por radiância

Medidas de Energia Solar (revisando)

• Radiação: integral da irradiância para um determinado período de tempo (W.h/m2) Radiação também é conhecida por irradiação ou insolação

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

Mapa Solarimétrico – Brasil

Orientação – ângulo azimutal solar

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

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)

• Melhor orientação no Hemisfério Sul Norte geográfico (para painéis FV sem rastreamento)

• Norte geográfico é diferente do Norte magnético

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.

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.

• 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)

Inclinação dos Módulos Fotovoltaicos

• Declinação Ângulo dos raios solares em relação ao plano do Equador (devido à inclinação do eixo da Terra)

Declinação

• Solstícios Declinação máxima

• Equinócios Declinação zero (raios solares paralelos ao plano do Equador)

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

Altura Solar

Altura Solar – definição

ângulo definido entre o plano da trajetória aparente do Sol no céu e o plano horizontal (gs)

Ângulo de Incidência Solar – b

Ângulo de Inclinação do Painel – a

Obs. Melhor aproveitamento solar: b = 0°

Ângulo de Inclinação dos Módulos FV

• Maioria dos Sistemas Ângulo a fixo: é preciso escolher a melhor inclinação para máxima captação

• 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

Latitude do Local de

Instalação

Ângulo de Inclinação

Recomendado

0° a 10° a = 10°

11° a 20° a = latitude

21° a 30° a = latitude + 5°

31° a 40° a = latitude + 10°

41° ou mais a = latitude + 15°

Fonte: “Installation and Safety Manual of the Bosch Solar Modules”

• Como encontrar o Norte geográfico?

• Usando o site www.heavens-above.com

Exercício

• 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.

• 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.

Módulos PV – Características Elétricas

• Tensão Nominal: é a tensão padrão do módulo.

• Tensão de Máxima Potência (Vmpp): 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 (Imp): 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 (PM): a potência máxima na curva I-V para dada condição de teste.

Efeito da Radiação na Geração FV

• Corrente do Módulo depende diretamente da irradiância

Efeito da Temperatura na Geração FV

• Aumento na Temperatura reduz a tensão fornecida pelo módulo e, consequentemente, a potência gerada

• 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)

• Caso não seja fornecido o Coeficiente de Temperatura há uma tabela de valores “genéricos” para estimar a tensão mínima e a tensão máxima

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

Sombreamento

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

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

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)

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)

Diodos de Bloqueio

Sistemas Fotovoltaicos – classificação

• Sistemas Isolados (off-grid)

• Sistemas Conectados à Rede (on-grid ou grid-tie)

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)

Sistemas Fotovoltaicos

• 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

Sistema Fotovoltaico Off-grid

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

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