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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

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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

0,695 x 109 m

1,496 x 1011

m

(1 AU)

IO = 1367 W.m-2

I = 6,33 x 107 W.m

-2

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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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Espectro da Radiação Solar

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Aproveitamento Espectral da Luz Solar

** junção p-n de silício

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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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Fenômeno Fotovoltaico - descrição

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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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 (h): 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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Módulos PV – Características ElétricasExemplo – Renesola 255Wp

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Módulos PV – Características ElétricasExemplo – Renesola 255Wp

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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 características das duas associações anteriores, e maiores perdas ao utilizar módulos de características diferentes.

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