manual de engenharia fv 2004

5/21/2018 Manual de Engenharia FV 2004

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1Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos

Manual de Engenharia

para

Sistemas Fotovoltaicos


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2 Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos


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Manual de Engenharia

para

Sistemas Fotovoltaicos

Edio EspecialPRC-PRODEEM

Rio de Janeiro - Agosto - 2004


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Centro de Referncia para Energia Solar e ElicaSrgio de Salvo Brito - CRESESBAv. Hum S/N - Ilha da Cidade UniversitriaCEP 21941-590 Rio de Janeiro - RJTel.: 0xx 21 2598-2187 Fax: 0xx 21 2598-6384Home Page: Http://www.cresesb.cepel.br

Centro de Pesquisas de Energia Eltrica - CEPELAv. Hum S/N - Ilha da Cidade Universitria

CEP 21941-590 Rio de Janeiro - RJTel.: 0xx 21 2598-2112 Fax: 0xx 21 2260-1340Home Page: Http://www.cepel.br

Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos

Grupo de Trabalho de Energia Solar - GTES

621.472C397m

Centro de Pesquisas de Energia Eltrica. Centro deReferncia para Energia Solar e Elica Srgio de Salvo Brito.Grupo de Trabalho de Energia Solar.

Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos / Riode Janeiro, CRESESB, 1999.

pp ; cm.

1. Energia solar. 2. Energia solar fotovoltaica. 3. Radiaosolar. 4. Sistema fotovoltaico conectado rede. 5. Sistemahbrido. 6. Mdulo fotovoltaico. 7. Clula solar. 8. Bateriasolar. 9. Utilizao de energia solar. 10. Sistema fotovoltiacode bombeamento de gua.

COLABORADORES:

Fernando A. A. Prado Jr. - CESPMaria Julita G. Ferreira- CESPJoo Jorge Santos - CHESFJoaquim Paim Marzulo - CEEELeonildo de Souza Silva -MIN. DA AERONUTICALus Srgio do Carmo - CEMIGOsvaldo L. S. Pereira - COELBATeresa V. Mousinho Reis - COELBAPaulo M. A. Craveiro - COELCERuberval Baldini -BRSOLARSrgio Beninc - SOLTEC ENG. ENERGIA

ELABORAO E EDIO:

Ana Paula C. Guimares - UFMGClaudio M. Ribeiro - CEPELLeopoldo E. G. Bastos - UFRJLuiz C. G. Valente - CEPELPatrcia C. da Silva - CRESESBRosimeri X. de Oliveira -LIGHT

PRIMEIRA REVISO

Ana Paula C. Guimares - UFMGElizabeth M. D. Pereira - PUC-MGJoo T. Pinho - UFPALcio Csar de S. Mesquita -AGNCIA ENERGIAMarco A. F. C. Ribeiro - THE NEW WORLD POWER DO BRASILMaria Julita G. Ferreira - CESPMrio H. Macagnan - UFRGSArno Krenzinger - UFRGS

SEGUNDA REVISO

Claudio M. Ribeiro - CEPEL

Hamilton Moss de Souza - CEPELMarco Antnio Galdino - CEPELPatrcia C. da Silva - CRESESBRicardo M. Dutra - CRESESBRoberto Zilles - USP

Programao Visual e CapaRicardo Marques Dutra - CRESESB

ImpressoEdiouro Grfica e Editora S.A..


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Sobre esta edio

O CRESESB e o CEPEL, com o apoio da ELETROBRS e do Ministrio de Minas e Energia, tem oprazer de lanar esta reedio do Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos.

Esta obra, certamente um clssico na bibliografia brasileira sobre energia fotovoltaica, encontrava-sepraticamente esgotada. Tendo em vista a implantao do Plano de Revitalizao e Capacitao doPRODEEM e do Programa Luz para Todos, identificou-se a necessidade de reedit-la. Com esterelanamento temos a certeza de estarmos ampliando o pblico que ter acesso ao seu contedo econtribuindo para a consolidao do uso da energia fotovoltaica no Brasil.


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Apresentao

O PRODEEM Programa de Desenvolvimento Energtico de Estados e Municpios, atualmente integrandoo Programa Luz para Todos, do Governo Federal, passa por um profundo processo de revitalizao. Este

processo, consolidado no Plano de Revitalizao e Capacitao do PRODEEM PRC, fruto daexperincia acumulada nas fases anteriores do Programa. Discusses, Seminrios, reunies nos maisdiferentes nveis, visitas tcnicas, inspees, consulta a especialistas, permitiram um preciso diagnsticoda situao dos sistemas de gerao fotovoltaica patrocinados pelo PRODEEM. Com base nestediagnstico, o PRC est empreendendo diversas aes para que a sustentabilidade do fornecimento deenergia s comunidades atendidas pelo programa possa ser assegurada.

Capacitao pea chave deste processo de revitalizao. com pessoas devidamente treinadas e motivadasque as transformaes ocorrem e se sustentam. Publicaes e outros instrumentos didticos e de difusode informao especfica para dar suporte ao treinamento de pessoal esto a caminho. Esta reediotambm faz parte deste esforo.

O Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, agora reeditado, j uma obra clssica emnosso meio. Esta obra resultado do esforo de inmeros profissionais e colaboradores. Ao longo destesltimos anos tem sido um fiel companheiro de trabalho dos pioneiros que fizeram e fazem a histria douso da energia fotovoltaica no Brasil. Nesta atual fase do PRODEEM, ser mais uma vez um valiosoinstrumento para o treinamento das equipes que percorrero o Pas, imbudas da nobre misso de asseguraro suprimento de energia para as comunidades atendidas pelo Programa. Em breve, os resultados destarevitalizao do PRODEEM estaro evidentes e contribuindo efetivamente para o cumprimento das metasdo Programa Luz para Todos.

Paulo Augusto LeonelliDiretor do PRODEEM


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Apresentao da Primeira Edio

com satisfao que apresentamos o Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Este Manual fruto da iniciativa dos membros do subgrupo Manuais do GTES - Grupo de Trabalho de EnergiaSolar, que conseguiram, em paralelo com suas atividades regulares, elaborar o presente material.

O GTES, criado em setembro de 1992, nasceu da necessidade de fomentar, discutir e difundir questesligadas Tecnologia Solar Fotovoltaica, envolvendo pessoas e/ou instituies de perfis e interesses variados.Assim sendo, periodicamente o grupo rene, entre outros interessados, Concessionrias, Centros dePesquisa, Universidades e Fabricantes.

Este Manual destina-se a auxiliar os engenheiros e tcnicos envolvidos com projetos de SistemasFotovoltaicos de Energia. Alm disso, visa atender a necessidade bsica de se ter, na lngua portuguesa,

literatura sobre o assunto, em conformidade com a realidade brasileira.

Este Manual enfoca, prioritariamente, sistemas de pequeno porte, em funo da demanda apresentadapelos participantes do GTES. Seu contedo contempla: descrio da tecnologia fotovoltaica; avaliaodo recurso solar; descrio dos principais tipos de Sistemas Fotovoltaicos e de seus componentes bsicos;mtodos de dimensionamento; e procedimentos de instalao, operao e manuteno dos sistemas. Todosos captulos apresentam uma introduo suscinta sobre os assuntos que sero, por eles, abordados.

Espera-se que esta verso do Manual seja uma semente para a disseminao da energia solar fotovoltaicano Brasil e que possamos evoluir em direo ao seu contnuo aperfeioamento e gerar novos documentos,

com outros enfoques e para diferentes pblicos alvo.

Claudio Moises Ribeiro

Luiz Carlos Guedes Valente


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Sumrio

Captulo 1 - Introduo ................................................................................................ 17

Captulo 2 - Radiao Solar e Efeito Fotovoltaico ..................................................... 232.1- Radiao Solar: Captao e Converso ............................................................................... 232.2- Efeito Fotovoltaico ................................................................................................................. 30

Captulo 3 - Configuraes Bsicas ............................................................................ 353.1- Sistemas Isolados ................................................................................................................... 36

3.1.1- Carga CC sem Armazenamento ............................................................................. 363.1.2- Carga CC com Armazenamento ............................................................................. 373.1.3- Carga CA sem Armazenamento ............................................................................. 373.1.4- Carga CA com Armazenamento ............................................................................. 37

3.2 - Sistemas Conectados Rede ................................................................................................ 383.2.1- Sistemas Residenciais ............................................................................................... 383.2.1.1- Medio nica do Balano de Energia ............................................................... 393.2.1.2- Medio Dupla ....................................................................................................... 393.2.1.3- Medies Simultneas ........................................................................................... 393.2.2- Sistemas de Grande Porte........................................................................................ 40

Captulo 4 - Componentes Bsicos ............................................................................... 434.1 - Mdulo Fotovoltaico ............................................................................................................. 43

4.1.1 - Clula Fotovoltaica .................................................................................................. 434.1.2 - Caractersticas Construtivas dos Mdulos ........................................................... 454.1.3 - Caractersticas Eltricas dos Mdulos .................................................................. 464.1.4 - Arranjo dos Mdulos .............................................................................................. 484.1.5 - Fatores que Afetam as Caractersticas Eltricas dos Mdulos .......................... 49

4.2 - Baterias .................................................................................................................................. 514.2.1 - Terminologia ............................................................................................................ 53

4.2.2 - Baterias Recarregveis ........................................................................................... 584.2.2.1 - Baterias Chumbo-cido............................................................................. 604.2.2.2 - Baterias Nquel-Cdmio............................................................................. 664.2.3 - Caractersticas Ideais para Uso em Sistemas Fotovoltaicos ..................... 67

4.3 - Controladores de Carga ........................................................................................................ 684.3.1 - Tipos de Controladores de Carga.......................................................................... 694.3.2 - Detalhamento das Caractersticas e Funes ....................................................... 714.3.3 - Controladores de Carga Baseados em Tenso ..................................................... 744.3.4 - Caractersticas Ideais para Uso em Sistemas Fotovoltaicos ............................... 75

4.4- Inversores ............................................................................................................................... 754.4.1- Tipos de Inversores .................................................................................................. 76

4.4.2- Caractersticas dos Inversores ................................................................................ 764.5- Conversores CC-CC ............................................................................................................... 814.6- Seguidor do Ponto de Mxima Potncia (MPPT)................................................................ 82


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Captulo 5 - Caractersticas das Cargas...................................................................... 875.1- Iluminao.............................................................................................................................. 87

5.1.1- Tipos de Lmpadas e suas Caractersticas ............................................................ 875.1.1.1- Lmpadas Incandescentes .......................................................................... 875.1.1.2- Lmpadas Incandescentes de Halgeno ou Halgenas ........................... 885.1.1.3- Lmpadas Fluorescentes ............................................................................. 885.1.1.4- Lmpadas de Vapor de Sdio de Baixa Presso....................................... 90

5.1.2- Aplicaes .................................................................................................................. 905.1.3- Tipos Disponveis no Mercado ................................................................................ 90

5.2- Refrigerao ........................................................................................................................... 915.2.1- Aplicaes .................................................................................................................. 915.2.2- Tipos Disponveis no Mercado ................................................................................ 92

5.3- Bombeamento de gua .......................................................................................................... 925.3.1- Tipos de Bombas de gua ....................................................................................... 92

5.3.1.1- Bombas Centrfugas .................................................................................... 925.3.1.2- Bombas Volumtricas .................................................................................. 93

5.3.2- Tipos de Motores ...................................................................................................... 945.3.2.1- Motores CC ................................................................................................... 945.3.2.2- Motores CA ................................................................................................... 95

5.4- Proteo Catdica........................................................................................................ 955.5- Telecomunicaes......................................................................................................... 975.6- Estao Remota para Monitoramento ...................................................................... 97

Captulo 6 - Projeto de um Sistema Fotovoltaico ..................................................... 1016.1 - Etapas do Projeto de um Sistema Fotovoltaico................................................................. 101

6.1.1 - Avaliao do Recurso Solar .................................................................................. 1016.1.2 - Estimativa da Curva de Carga ............................................................................ 1046.1.3 - Escolha da Configurao ...................................................................................... 1056.1.4 - Dimensionamento do Sistema de Armazenamento ........................................... 1056.1.5 - Dimensionamento da Gerao Fotovoltaica....................................................... 1076.1.6 - Especificao dos Demais Componentes Bsicos .............................................. 1086.1.7 - Projeto Eltrico ...................................................................................................... 109

6.2 - Sistemas de Bombeamento ..................................................................................................1116.3 - Dimensionamento de Sistemas Fotovoltaicos de Pequeno Porte .................................... 112

Captulo 7 - Instalaes ............................................................................................... 1417.1- Recomendaes Gerais sobre Segurana ........................................................................... 1417.2 - Mdulos Fotovoltaicos ........................................................................................................ 142

7.2.1- Localizao do Arranjo Fotovoltaico ................................................................... 1427.2.2- Orientao do Arranjo Fotovoltaico .................................................................... 1427.2.3- Montagem da Estrutura dos Mdulos ................................................................. 143

7.3- Bateria ................................................................................................................................... 1477.3.1- Recomendaes sobre Segurana e Manuseio de Baterias ................................ 1477.3.2- Compartimento das Baterias ................................................................................ 1487.3.3- Montagem do Banco de Baterias .......................................................................... 149

7.4- Controle ................................................................................................................................ 1497.5- Protees ............................................................................................................................... 1507.6- Cabos e Conexes................................................................................................................. 1517.7- Acessrios ............................................................................................................................. 152


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Captulo 8 - Manuteno e Inspeo ......................................................................... 1558.1- Procedimentos Gerais de Segurana .................................................................................. 1558.2- Manuteno Preventiva ....................................................................................................... 156

8.2.1- Mdulo Fotovoltaico .............................................................................................. 1568.2.1.1- Aspectos Fsicos .......................................................................................... 1568.2.1.2- Aspectos Eltricos ...................................................................................... 157

8.2.2- Baterias .................................................................................................................... 1608.2.2.1- Aspectos Fsicos .......................................................................................... 1608.2.2.2- Aspectos Eltricos ...................................................................................... 1618.2.3- Equipamentos Eletrnicos ........................................................................... 163

8.2.4- Inversores ................................................................................................................ 1638.2.5- Cargas ...................................................................................................................... 1648.2.6- Fiao e Dispositivos de Segurana ...................................................................... 164

Bibliografia ................................................................................................................... 185

Anexos ...........................................................................................................................193


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Captulo 1

Introduo


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Captulo 1 - Introduo

O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotvel na escala terrestre de tempo, tanto como fontede calor quanto de luz, hoje, sem sombra de dvidas, uma das alternativas energticas mais promissoraspara enfrentarmos os desafios do novo milnio. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol responsvel pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Em outras palavras, asfontes de energia so, em ltima instncia, derivadas, em sua maioria, da energia do Sol.

a partir da energia do Sol que se d a evaporao, origem do ciclo das guas, que possibilita o represamentoe a conseqente gerao de eletricidade (hidroeletricidade). A radiao solar tambm induz a circulaoatmosfrica em larga escala, causando os ventos. Petrleo, carvo e gs natural foram gerados a partir deresduos de plantas e animais que, originalmente, obtiveram a energia necessria ao seu desenvolvimento,da radiao solar. As reaes qumicas s quais a matria orgnica foi submetida, a altas temperaturas epresses, por longos perodos de tempo, tambm utilizaram o Sol como fonte de energia. tambm por

causa da energia do Sol que a matria orgnica, como a cana-de-acar, capaz de se desenvolver, fazerfotossntese para, posteriormente, ser transformada em combustvel nas usinas.

Algumas formas de utilizao da energia solar so apresentadas a seguir.

Energia Solar Fototrmica

Nesse caso, estamos interessados na quantidade de energia que um determinado corpo capaz de absorver,sob a forma de calor, a partir da radiao solar incidente no mesmo. A utilizao dessa forma de energiaimplica saber capt-la e armazen-la. Os equipamentos mais difundidos com o objetivo especfico de seutilizar a energia solar fototrmica so conhecidos como coletores solares.

Os coletores solares so aquecedores de fluidos (lquidos ou gasosos) e so classificados em coletoresconcentradorese coletores planosem funo da existncia ou no de dispositivos de concentrao daradiao solar. O fluido aquecido mantido em reservatrios termicamente isolados at o seu uso final(gua aquecida para banho, ar quente para secagem de gros, gases para acionamento de turbinas etc.).

Os coletores solares planos so, hoje, largamente utilizados para aquecimento de gua em residncias,hospitais, hotis etc. devido ao conforto proporcionado e reduo do consumo de energia eltrica.

Sistemas de mdio e grande porte, utilizando concentrao, comeam a ser testados visando a aplicaona gerao de energia eltrica. Nesse caso, o vapor ou reao qumica produzidos acionam turbinas.

Arquitetura Bioclimtica

Chama-se arquitetura bioclimtica o estudo que visa harmonizar as construes ao clima e caractersticaslocais, pensando no homem que habitar ou trabalhar nelas, e tirando partido da energia solar, atravs decorrentes convectivas naturais e de microclimas criados por vegetao apropriada. a adoo de soluesarquitetnicas e urbansticas adaptadas s condies especficas (clima e hbitos de consumo) de cadalugar, utilizando, para isso, a energia que pode ser diretamente obtida das condies locais.

Beneficia-se da luz e do calor provenientes da radiao solar incidente. A inteno do uso da luz solar,que implica em reduo do consumo de energia para iluminao, condiciona o projeto arquitetnico


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quanto sua orientao espacial, quanto s dimenses de abertura das janelas e transparncia na coberturadas mesmas. Por outro lado, a inteno de aproveitamento do calor proveniente do Sol implica seleo domaterial adequado (isolante ou no conforme as condies climticas) para paredes, vedaes e coberturassuperiores, e orientao espacial, entre outros fatores.

A arquitetura bioclimtica no se restringe a caractersticas arquitetnicas adequadas. Preocupa-se, tambm,com o desenvolvimento de equipamentos e sistemas que so necessrios ao uso da edificao (aquecimentode gua, circulao de ar e de gua, iluminao, conservao de alimentos etc.) e com o uso de materiaisde contedo energtico to baixo quanto possvel.

Energia Solar Fotovoltaica

A Energia Solar Fotovoltaica a energia obtida atravs da converso direta da luz em eletricidade (EfeitoFotovoltaico). O efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, o aparecimento de umadiferena de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absoro

da luz. A clula fotovoltaica a unidade fundamental do processo de converso.

Os principais eventos no desenvolvimento dos equipamentos de converso da energia solar fotovoltaicapodem ser visualizados na Figura 1.1.

Em 1876 foi concebido o primeiro aparato fotovoltaico advindo dos estudos das estruturas de estadoslido, e apenas em 1956 iniciou-se a produo industrial, seguindo o desenvolvimento da microeletrnica.

Inicialmente o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca, por empresas do setor detelecomunicaes, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O segundoagente impulsionador foi a corrida espacial. A clula solar era, e continua sendo, o meio mais adequado

(menor custo e peso) para fornecer a quantidade de energia necessria para longos perodos de permannciano espao. Outro uso espacial que impulsionou o desenvolvimento das clulas solares foi a necessidadede energia para satlites.

A crise energtica de 1973 renovou e ampliou o interesse em aplicaes terrestres. Porm, para tornareconomicamente vivel essa forma de converso de energia, seria necessrio, naquele momento, reduzirem at 100 vezes o custo de produo das clulas solares em relao ao daquelas clulas usadas emexploraes espaciais. Modificou-se, tambm, o perfil das empresas envolvidas no setor. Nos EstadosUnidos, as empresas de petrleo resolveram diversificar seus investimentos, englobando a produo deenergia a partir da radiao solar.

Em 1978 a produo da indstria no mundo j ultrapassava a marca de 1 MWp/ano. O objetivo daspesquisas americanas na dcada de 80 era fornecer de 1 a 5,5% de toda a energia eltrica consumida noano 2000 nos Estados Unidos, atravs da converso fotovoltaica.

Em 1998 a produo de clulas fotovoltaicas atingiu a marca de 150 MWp, sendo o Silcio quase absolutono rankingdos materiais utilizados. O Silcio, segundo elemento mais abundante na crosta terrestre, temsido explorado sob diversas formas: monocristalino (mono-Si), policristalino (poly-Si) e amorfo (a-Si).No entanto, a busca de materiais alternativos intensa e concentra-se na rea de filmes finos, onde osilcio amorfo se enquadra. Clulas de filmes finos, alm de utilizarem menor quantidade de material doque as que apresentam estruturas cristalinas, requerem uma menor quantidade de energia no seu processo

de fabricao, caractersticas que, por si s, justificam o esforo em seu aperfeioamento.

O custo das clulas solares , ainda hoje, um grande desafio para a indstria e o principal empecilho para


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a difuso dos sistemas fotovoltaicos em larga escala. No entanto, a tecnologia fotovoltaica est se tornandocada vez mais competitiva, tanto porque seus custos esto decrescendo, quanto porque a avaliao doscustos das outras formas de gerao est se tornando mais real, levando em conta fatores que eramanteriormente ignorados, como a questo dos impactos ambientais.

Especialistas afirmam, hoje, que a tecnologia de filmes finos poder levar, no incio do sculo XXI, a umcusto de 1 US$/Wp, aproximadamente 1/4 dos preos praticados atualmente no mercado internacional,para os mdulos fotovoltaicos. Investimentos em melhorias no processo de fabricao tambm auxiliarona reduo de custo.

Figura 1.1 -Representao dos eventos-chave no desenvolvimento das clulas solares.(Fonte: Insero da Tecnologia Solar no Brasil)

1800 Descoberta do Selnio (Se) (Berzelius)

1820 Preparao do Silcio (Si) (Berzelius)

1840 Efeito Fotovoltaico (Becquerel)

1860 Efeito Fotocondutivo no Se (Smith)Retificador do Ponto de Contato (Braun)

1880 Efeito Fotovoltaico no Se (Adams & Day)Clulas Fotovoltaicas de Se (Fritts/Uljanin)

1900 Fotosensitividade em Cu-Cu2O (Hallwachs)

1910Efeito Fotovoltaico com Barreira de Potencial (Goldman & Brodsky)

1920 Monocristal a partir do Si Fundido (Czochralski)Retificador de Cu-Cu2O (Grondahl)

1930 Clula Fotovoltaica de Cu-Cu2O (Grondahl & Geiger)

Teoria de Bandas em Slidos (Strutt/Brillouin/Kronig & P)Teoria de Clulas com Barreiras V e H (Schottky et al)

1940 Teoria da Difuso Eletrnica (Dember)Aplicaes Fotomtricas (Lange)1% eficincia em Clulas de Sulfeto de Tlio (TI2 S) (Nix & Treptow)

1950 Crescimento de Clulas Fotovoltaicas com Juno (Oh1)Teoria de Junes p-n (Shockley)

1955 Junes p-n Difundidas (Fuller)1958 Clula Solar de Si (Pearson, Fuller & Chapin)1960 Clula Solar de CdS (Reynolds et al)

Teoria de Clulas Solares (Piann & Roosbroeck/Prince)

1962 O Bandgap e a Eficincia das Clulas (Loferski, R.& W)Teoria da Resposta Espectral, Mecanismos de Perdas (Wolf)Efeitos de Resistncia em Srie (Wolf & Rauschenbach)Clulas de Si n/p Resistentes a Radiao (Kesperis & M.)Contatos Evaporados de Ti-Ag (BTL)

1973 Clulas Violetas, com 15,2% de eficincia

1980 Clulas de Silcio Amorfo

1992 Clulas MIS, de 24%


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A Tabela 1.1 contm um histrico do desenvolvimento de clulas solares de Si, posteriormente aoapresentado na Figura 1.1. As tecnologias listadas na Tabela 1.1so utilizadas para produo de clulasem nvel de laboratrio e empregam processos complexos e a princpio difceis de serem reproduzidosem larga escala a custo razovel para produo de clulas comerciais.

Tabela 1.1 -Desenvolvimento das clulas solares de Si (laboratrio).(Fonte: Progress in Photovoltaics: Research and Aplication)

Entre os desenvolvimentos recentes nos processos de produo para clulas comerciais de Si esto astecnologias de fita de Si (Ribbon), o confinamento magntico para o crescimento dos cristais de Si (MCzgrowth), o corte de clulas com fio contnuo diamantado, o melhor controle sobre o tratamento superfi-cial (etching) das clulas e os contactos metlicos enterrados (BCSC -Buried Contact Solar Cells).Alguns destes progressos j so empregados por determinados fabricantes para produo comercial.

Um desafio paralelo para a indstria fotovoltaica o desenvolvimento de acessrios e equipamentoscomplementares para Sistemas Fotovoltaicos, com qualidade e vida til comparveis s dos mdulos(fabricantes de mdulos de Silcio cristalino esto garantindo seus produtos por 25 anos enquanto os deSilcio amorfo esto dando em torno de 10 anos de garantia). Sistemas de armazenamento e decondicionamento de potncia tm sofrido grandes impulsos no sentido de aperfeioamento e reduo decustos.

O atendimento de comunidades isoladas tem impulsionado a busca e o desenvolvimento de fontesrenovveis de energia. No Brasil, por exemplo, 15% da populao no possui acesso energia eltrica.Coincidentemente, esta parcela da populao vive em regies onde o atendimento por meio da expanso

do sistema eltrico convencional economicamente invivel. Trata-se de ncleos populacionais esparsose pouco densos, tpicos das regies Centro-Oeste, Nordeste e Norte.

notvel o impulso que a gerao de energia eltrica por converso fotovoltaica vem recebendo noBrasil nos ltimos anos, atravs de projetos privados e governamentais, atraindo interesse de fabricantespelo mercado brasileiro. A quantidade de radiao incidente no Brasil outro fator muito animador parao aproveitamento da energia solar.

Visando apoiar os interessados na tecnologia fotovoltaica, o GTES identificou a necessidade de literatura,em lngua portuguesa, sobre o assunto e viabilizou a preparao deste Manual. Pretende-se que este

Manual permita ao leitor uma primeira aproximao com o tema.


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Captulo 2

Radiao Solar e EfeitoFotovoltaico


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Captulo 2 - Radiao Solar e Efeito Fotovoltaico

A Terra recebe anualmente 1,5 x 1018kWh de energia solar, o que corresponde a 10.000 vezes o consumomundial de energia neste perodo. Este fato vem indicar que, alm de ser responsvel pela manuteno da vidana Terra, a radiao solar constitui-se numa inesgotvel fonte energtica, havendo um enorme potencial deutilizao por meio de sistemas de captao e converso em outra forma de energia (trmica, eltrica etc.).

Uma das possveis formas de converso da energia solar conseguida atravs do efeito fotovoltaico queocorre em dispositivos conhecidos como clulas fotovoltaicas. Estas clulas so componentesoptoeletrnicos que convertem diretamente a radiao solar em eletricidade. So basicamente constitudasde materiais semicondutores, sendo o silcio o material mais empregado.

2.1- Radiao Solar: Captao e Converso

O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve em trajetria elptica um plano que inclinado de aproximadamente 23,5 com relao ao plano equatorial. Esta inclinao responsvelpela variao da elevao do Sol no horizonte em relao mesma hora, ao longo dos dias, dando origems estaes do ano e dificultando os clculos da posio do Sol para uma determinada data, como podeser visto na Figura 2.1.1.

A posio angular do Sol, ao meio dia solar, em relao ao plano do Equador (Norte positivo) chamadade Declinao Solar (). Este ngulo, que pode ser visto na Figura 2.1.1, varia, de acordo com o dia doano, dentro dos seguintes limites:

-23,45 23,45

A soma da declinao com a latitude local determina a trajetria do movimento aparente do Sol para umdeterminado dia em uma dada localidade na Terra.

As relaes geomtricas entre os raios solares, que variam de acordo com o movimento aparente do Sol,e a superfcie terrestre, so descritas atravs de vrios ngulos (ver Figura 2.1.2), que so definidos aseguir:

- ngulo de incidncia (): ngulo formado entre os raios do Sol e a normal superfcie de captao.

- ngulo Azimutal da Superfcie (aw): ngulo entre a projeo da normal superfcie no plano horizon-tal e a direo Norte-Sul. O deslocamento angular tomado a partir do Norte.

-180aw180

Obs.: Positivo quando a projeo se encontrar esquerda do Norte e negativo quando se encontrar direita.

- ngulo Azimutal do Sol (as): ngulo entre a projeo do raio solar no plano horizontal e a direoNorte-Sul. Obedece mesma conveno acima.

- Altura Solar (): ngulo compreendido entre o raio solar e a projeo do mesmo sobre um planohorizontal.


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Figura 2.1.1- rbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinado de um ngulo de 23,5.(Fonte: Photovoltaic System Technology - An European Handbook)

- Inclinao (): ngulo entre o plano da superfcie em questo e a horizontal.

Outros ngulos de igual importncia, que no esto representados na Figura 2.1.2, so:

- ngulo Horrio do Sol ou Hora Angular (): deslocamento angular leste-oeste do Sol, a partir domeridiano local, e devido ao movimento de rotao da Terra. Assim, cada hora corresponde a umdeslocamento de 15o. Adota-se como conveno valores positivos para o perodo da manh, com zero s12:00hs.

- ngulo Zenital (z): ngulo formado entre os raios solares e a vertical (Znite).

A radiao solar que atinge o topo da atmosfera terrestre provm da regio da fotosfera solar que umacamada tnue com aproximadamente 300 km de espessura e temperatura superficial da ordem de 5800 K.Porm, esta radiao no se apresenta como um modelo de regularidade, pois h a influncia das camadas

externas do Sol (cromosfera e coroa), com pontos quentes e frios, erupes cromosfricas etc.

Apesar disto, pode-se definir um valor mdio para o nvel de radiao solar incidente normalmente sobre


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uma superfcie situada notopo da atmosfera. Dados recentes da WMO (World Meteorological Organiza-tion) indicam um valor mdio de 1367 W/m2para a radiao extraterrestre. Frmulas matemticas permitemo clculo, a partir da Constante Solar, da radiao extraterrestre ao longo do ano, fazendo a correopela rbita elptica.

A radiao solar radiao eletromagntica que se propaga a uma velocidade de 300.000 km/s, podendo-se observar aspectos ondulatrios e corpusculares. Em termos de comprimentos de onda, a radiao solarocupa a faixa espectral de 0,1 m a 5m, tendo uma mxima densidade espectral em 0,5 m, que a luzverde.

atravs da teoria ondulatria, que so definidas, para os diversos meios materiais, as propriedades nafaixa solar de absoro e reflexo e, na faixa de 0,75 a 100 m (correspondente ao infra-vermelho), aspropriedades de absoro, reflexo e emisso (ver Figura 2.1.3).

Por outro lado, pela teoria corpuscular ou fotnica, atravs da mecnica quntica, determinada a potnciaemissiva espectral do corpo negro em termos de sua temperatura e do ndice de refrao do meio em queest imerso. A converso direta da energia solar em eletricidade tambm explicada por esta teoria.Nesta viso corpuscular, a potncia de um feixe luminoso descrita como o fluxo de ftons com energiaunitria hf, ondef a freqncia da onda eletromagntica associada e h a Constante de Planck (6,62 x10-34Js).A energia solar incidente no meio material pode ser refletida, transmitida e absorvida.

A parcela absorvida d origem, conforme o meio material, aos processos de fotoconverso etermoconverso, conforme indicado na Figura 2.1.4.

Figura 2.1.2 - (a) Ilustrao dos ngulos e as.(b) Coordenadas de orientao da superfcie, aw e , e o ngulo .

a)

b)


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Figura 2.1.3- Distribuio espectral da radiao solar.(Fonte: Photovoltaic System Technology - An European Handbook)

Radiao Solar em Nvel do Solo

De toda a radiao solar que chega s camadas superiores da atmosfera, apenas uma frao atinge asuperfcie terrestre, devido reflexo e absoro dos raios solares pela atmosfera. Esta frao que atingeo solo constituda por uma componente direta (ou de feixe) e por uma componente difusa.

Notadamente, se a superfcie receptora estiver inclinada com relao horizontal, haver uma terceiracomponente refletida pelo ambiente do entorno (solo, vegetao, obstculos, terrenos rochosos etc.). Ocoeficiente de reflexo destas superfcies denominado de albedo.

Antes de atingir o solo, as caractersticas da radiao solar (intensidade, distribuio espectral e angular)so afetadas por interaes com a atmosfera devido aos efeitos de absoro e espalhamento. Estas


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Figura 2.1.4- Processos de converso da energia solar.

modificaes so dependentes da espessura da camada atmosfrica, tambm identificada por um coeficientedenominado Massa de Ar (AM), e, portanto, do ngulo Zenital do Sol, da distncia Terra-Sol e dascondies atmosfricas e meteorolgicas (ver Figura 2.1.5).

Devido alternncia de dias e noites, das estaes do ano e perodos de passagem de nuvens e chuvosos,o recurso energtico solar apresenta grande variabilidade, induzindo, conforme o caso, seleo de umsistema apropriado de estocagem para a energia resultante do processo de converso.

Figura 2.1.5- Trajetria dos raios de sol na atmosfera edefinio do coeficiente de Massa de Ar (AM).

(Fonte: Photovoltaic System Design - Course Manual)

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)(

1)(

COSSECAM


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Observa-se que somente a componente direta da radiao solar pode ser submetida a um processo deconcentrao dos raios atravs de espelhos parablicos, lentes etc. Consegue-se atravs da concentrao,uma reduo substancial da superfcie absorvedora solar e um aumento considervel de sua temperatura.

Pelos clculos da astronomia obtm-se que a durao do dia funo da poca do ano e da localizao dolugar escolhido no globo terrestre. Tambm, para um observador numa dada posio, a trajetria aparentedo Sol (o plano da eclptica) no cu muda ao longo do ano. Esta caracterstica importante para o projetode sistemas de converso que fazem o rastreio solar visando uma concentrao dos raios solares e para aescolha da orientao de painis fixos de forma a otimizar o resultado alcanado durante o ano. Apresentam-se, em anexo, mapas mensais de insolao para o Brasil.

No Hemisfrio Sul, o sistema de captao solar fixo deve estar orientado para o Norte Geogrfico demodo a melhor receber os raios solares durante o ano, e ser colocado inclinado com relao horizontalde um ngulo prximo ao da latitude do lugar, conseguindo-se captar um mximo de energia solar aolongo do ano. evidente que, prximo ao Equador, o melhor posicionamento o horizontal, sendo dada,no entanto, pequena inclinao para a drenagem de gua na superfcie externa do equipamento. H

entretanto, como mencionado, outras formas de montagem para um sistema de captao solar que seguiro Sol, tais como: conjunto seguidor de 1 eixo Norte-Sul, de 1 eixo leste-oeste e de 2 eixos ou altazimutal.A Figura 2.1.6apresenta, para a Amrica Latina, as curvas indicadoras do total dirio de radiao solar(em kWh/m2dia) que incide em uma superfcie fixa orientada para o Norte Geogrfico e inclinada de umngulo igual ao da latitude do lugar, ao longo das estaes do ano.

Estes mapas de radiao so suficientes para o dimensionamento, na Amrica do Sul, da rea de coletapara sistemas de converso solar com montagens fixas e inclinados com ngulo igual ao da latitude dolocal. Quando for necessrio o projeto de sistemas de captao com rastreamento solar ou se desejar fazerestudos de simulao onde so necessrios valores instantneos dos componentes da radiao solar ou daradiao total (global + refletida) instantnea, os dados apresentados na Figura 2.1.6 so insuficientes,

requerendo o uso de programas computacionais especialmente desenvolvidos como por exemplo, aquelesrealizados por Rossi (1985) e Barzolla (1992) que utilizam clculos de astronomia de posio e dados deregistros solarimtricos.

Todos os mapas de radiao solar disponveis apoiaram-se, na sua consolidao, em valores medidos. Amaior parte dos instrumentos de medio disponveis hoje no Brasil medem apenas o nmero de horas deinsolao. Um nmero bem mais reduzido de equipamentos capaz de medir a radiao global no planohorizontal. Alm disso, a escassez de pontos de medio aumenta a dificuldade em estimar-se corretamenteo recurso solar. Isto concorreu para o desenvolvimento e/ou aperfeioamento de tcnicas de tratamentodestas grandezas de modo a gerar, com o mximo de fidelidade, valores mais teis no dimensionamento

de Sistemas Fotovoltaicos. Paralelamente, esforos tem sido feitos para melhoria de dados tanto de radiaoterrestre quanto por meio de satlites.

Os instrumentos de medio do recurso solar mais comumente encontrados so os piranmetros (radiaoglobal), actingrafos (radiao global), heligrafos (nmero de horas de insolao) e os pirohelimetros(radiao direta normal) e baseiam-se em sensores do tipo termopilhas, pares bi-metlicos ou fotoclulas.Os equipamentos que utilizam as fotoclulas como elemento sensor, embora mais baratos, apresentam adesvantagem de no possuirem uma resposta espectral adequada: as fotoclulas apresentam uma nouniformidade na resposta espectral.

Convm ser lembrado que quando da montagem do sistema de captao, a orientao para a direo

Norte Geogrfico pode ser feita atravs de uma bssola, que indica o Norte Magntico. Atravs do Mapade Declinao Magntica (apresentada em anexo) e variao anual do Observatrio Nacional determinadaa correo angular necessria. No caso do Rio de Janeiro, em 1994, por exemplo, esta correo era de


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Primavera Vero

Outono Inverno

Figura 2.1.6- Total dirio de radiao (kWh/m2dia) que incide na superfcie

inclinada de um ngulo igual latitude.(Fonte: Sandia National Laboratories, SAND87 - 0804)


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2122 para Leste, ou seja, deve-se adicionar este ngulo direo apontada pela bssola tomando-se osentido dos ponteiros do relgio.

2.2- Efeito Fotovoltaico

Existem na natureza materiais classificados como semicondutores, que se caracterizam por possuiremuma banda de valnciatotalmente preenchida por eltrons e uma banda de conduototalmente vazia temperaturas muito baixas.

A separao entre as duas bandas de energia permitida dos semicondutores (gapde energia) da ordemde 1 eV, o que os diferencia dos isolantes onde o gap de vrios eVs. Isto faz com que os semicondutoresapresentem vrias caractersticas interessantes. Uma delas o aumento de sua condutividade com atemperatura, devido excitao trmica de portadores da banda de valncia para a banda de conduo.Uma propriedade fundamental para as clulas fotovoltaicas a possibilidade de ftons, na faixa do visvel,com energia superior ao gapdo material, excitarem eltrons banda de conduo. Este efeito, que pode

ser observado em semicondutores puros, tambm chamados de intrnsecos, no garante por si s ofuncionamento de clulas fotovoltaicas. Para obt-las necessrio uma estrutura apropriada para que oseltrons excitados possam ser coletados, gerando uma corrente til.

O semicondutor mais usado o silcio. Seus tomos se caracterizam por possuirem quatro eltrons deligao que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se tomos com cincoeltrons de ligao, como o fsforo, por exemplo, haver um eltron em excesso que no poder seremparelhado e que ficar sobrando, fracamente ligado a seu tomo de origem. Isto faz com que, compouca energia trmica, este eltron se livre, indo para a banda de conduo. Diz-se assim, que o fsforo um dopante doador de eltrons e denomina-se dopante nou impureza n.

Se, por outro lado, introduzem-se tomos com apenas trs eltrons de ligao, como o caso do boro,haver uma falta de um eltron para satisfazer as ligaes com os tomos de silcio da rede. Esta falta deeltron denominada buracoou lacunae ocorre que, com pouca energia trmica, um eltron de um stiovizinho pode passar a esta posio, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se portanto, que o boro um aceitador de eltronsou um dopante p.

temperatura ambiente, existe energia trmica suficiente para que praticamente todos os eltrons emexcesso dos tomos de fsforo estejam livres, bem como que os buracos criados pelos tomos de boropossam de deslocar.

Se, partindo de um silcio puro, forem introduzidos tomos de boro em uma metade e de fsforo na outra,

ser formado o que se chamajuno pn, vide Figura 2.2.1. O que ocorre nesta juno que eltrons livresdo lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam; isto faz com que haja umacmulo de eltrons no lado p, tornando-o negativamente carregado e uma reduo de eltrons do lado n,que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas do origem a um campo eltrico permanenteque dificulta a passagem de mais eltrons do lado n para o lado p; este processo alcana um equilbrioquando o campo eltrico forma uma barreira capaz de barrar os eltrons livres remanescentes no lado n.A Figura 2.2.1mostra a variao do campo eltrico na direo perpendicular juno pn.

Se uma juno pn, como a da Figura 2.2.1, for exposta a ftons com energia maior que o gap, ocorrer agerao de pares eltron-lacuna; se isto acontecer na regio onde o campo eltrico diferente de zero, ascargas sero aceleradas, gerando assim, uma corrente atravs da juno; este deslocamento de cargas d

origem a uma diferena de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico. Se as duas extremidadesdo pedao de silcio forem conectadas por um fio, haver uma circulao de eltrons. Esta a base dofuncionamento das clulas fotovoltaicas.


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Resta a questo de quais so os fatores limitantes neste processo de converso de energia da luz emenergia eltrica. O primeiro limitador, ao se tentar transformar a luz do Sol em eletricidade, o espectrode sua radiao. Como foi visto, ele se espalha numa ampla faixa e apenas a parcela com comprimento de

onda inferior a aproximadamente 1 m capaz de excitar os eltrons em clulas de silcio (Figura 2.2.2).

Outro fator o de que cada fton s consegue excitar um eltron. Portanto, para ftons com energiasuperior energia do gap, haver um excesso de energia que ser convertida em calor. Por fim, mesmopara os eltrons excitados, existe uma probabilidade de que estes no sejam coletados, e no contribuampara a corrente. A tecnologia de fabricao de clulas fotovoltaicas tenta reduzir ao mximo este ltimo

Figura 2.2.1 -(a) Juno pn ilustrando regio onde ocorre o acmulo de cargas.(b) Campo eltrico resultante da transferncia de cargas atravs da juno pn.

Figura 2.2.2 -Converso de energia luminosa numa clula de Silcio.(Fonte: Universidade de Berlin - EMI/SES)


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efeito. Para clulas de silcio, o limite terico de converso de radiao solar em eletricidade de 27%.

A Figura 2.2.3apresenta a comparao entre as eficincias atingidas em laboratrio e comercialmentepelos diferentes materiais utilizados para as tecnologias que j atingiram o estgio comercial. Dentre osmateriais utilizados temos o telureto de cdimio (CdTe), cobre(ndio, glio).(enxofre, selnio) - grupo declulas CIGS, silcio amorfo (aSi) e cristais de silcio (Si-crist).

Figura 2.2.3 -Tipos de materiais utilizados e suas respectivas eficincias.(Fonte: Dernik et al.1993)


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Captulo 3

Configuraes Bsicas


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Captulo 3 - Configuraes Bsicas

Sistemas Fotovoltaicos (SF) podem ser classificados em trs categorias principais: isolados, hbridos ouconectados rede. A utilizao de cada uma dessas opes depender da aplicao e/ou da disponibilidadede recursos energticos. Cada um deles poder ser de complexidade varivel dependendo da aplicaoem questo e das restries especficas de cada projeto. Isto pode ser facilmente visualizado, por exemplo,quando se considera a utilizao de um sistema hbrido Diesel-fotovoltaico. Neste caso, o percentual decada um, que pode ir de 0 a 100%, depender de fatores como, investimento inicial, custo de manuteno,dificuldade de obteno do combustvel, poluio do ar e sonora do Diesel, rea ocupada pelo SistemaFotovoltaico, curva de carga etc.

Sistemas autnomos, no conectados rede eltrica, podem ou no apresentar fontes de energiacomplementares gerao fotovoltaica. Quando a configurao no se restringe gerao fotovoltaica,temos os sistemas hbridos. Se o sistema puramente fotovoltaico, ento ele chamado de sistema

isolado.

Sistemas autnomos, isolados ou hbridos, em geral, necessitam de algum tipo de armazenamento. Oarmazenamento pode ser em baterias, quando se deseja utilizar aparelhos eltricos nos perodos em queno h gerao fotovoltaica, ou outras formas de energia. Num sistema de bombeamento de gua, ondeesta armazenada em tanques elevados, a energia solar estar armazenada em forma de energia potencialgravitacional. Sistemas de irrigao so um exemplo de sistema autnomo sem armazenamento, poistoda gua bombeada imediatamente usada. Alm das baterias e energia gravitacional mencionadasacima, existem outras formas de armazenar a energia gerada como a produo de hidrognio, arcomprimido, flying wheeletc.

A Figura 3.1mostra um esquema de um Sistema Fotovoltaico bsico.

Conforme mencionado anteriormente, chama-se sistemas hbridos aqueles em que, estando desconectadosda rede eltrica, existe mais de uma forma de gerao de energia, como por exemplo, gerador Diesel,turbinas elicas e mdulos fotovoltaicos. Estes sistemas so mais complexos e necessitam de algum tipode controle capaz de integrar os vrios geradores, de forma a otimizar a operao para o usurio. Existemvrias configuraes possveis, assim como estratgias de uso de cada fonte de energia. A Figura 3.2

apresenta uma destas possibilidades.

Em geral, utilizam-se sistemas hbridos para o atendimento a cargas de corrente alternada (CA)

Figura 3.1 -Configurao bsica de Sistema Fotovoltaico.


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necessitando-se, portanto, de um inversor, dispositivo que transforma a corrente contnua (CC) em correntealternada (CA). Devido maior complexidade e multiplicidade de opes e o constante aperfeioamentodessas unidades, a forma de otimizao desses sistemas ainda hoje tema de estudos. Este Manual no seaprofunda neste assunto, devendo o interessado buscar outras fontes de consulta.

Sistemas conectados rede so aqueles em que a potncia gerada pelo arranjo fotovoltaico entregue rede eltrica. Para tanto indispensvel que se utilize um inversor que deve satisfazer as exigncias dequalidade e segurana para que no degrade a qualidade do sistema no qual se interliga o arranjofotovoltaico. A Figura 3.3mostra um esquema de um Sistema Fotovoltaico conectado rede.

Figura 3.2 -Exemplo de sistema hbrido.

3.1- Sistemas Isolados

Dentre os sistemas isolados existem muitas configuraes possveis. A seguir, apresentam-se estaspossibilidades, indicando-se exemplos de aplicaes mais comuns.

3.1.1- Carga CC sem Armazenamento

Neste caso, a energia eltrica usada no momento da gerao por equipamentos que operam em correntecontnua. Um exemplo deste uso em sistemas de bombeamento de gua com bombas com motor de

Figura 3.3 -Sistema conectado rede.


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corrente contnua. Em alguns casos, o sistema pode incorporar um seguidor do ponto de mxima potncia,de forma a otimizar o funcionamento da bomba. A Figura 3.1.1mostra um esquema de sistema deste tipo.

3.1.2- Carga CC com Armazenamento

Este o caso em que deseja-se usar equipamentos eltricos, em corrente contnua, independente de haverou no gerao fotovoltaica simultnea. Para que isto seja possvel, a energia eltrica deve ser armazenadaem baterias. Exemplos comuns so iluminao, rdio, televiso, sistemas de comunicao etc.

comum o uso de controlador de carga de forma a proteger as baterias de danos por sobrecarga oudescarga profunda. Na Figura 3.1.2pode ser visto o esquema de um sistema deste tipo.

Os controladores podem ser dispensados em duas situaes: quando a capacidade de armazenamento grande em comparao com a gerao e quando os mdulos fotovoltaicos apresentam uma curva IxV(vide informaes adicionais apresentadas na seo 4.1) tal que a corrente seja baixa na tenso de cargaplena das baterias. No ltimo caso, haver um desperdcio de energia quando as baterias estiverem prximasda carga plena. Alm disso importante levar em considerao os impactos do no uso do controlador naproteo da bateria por sobredescarga.

Os avanos recentes da tecnologia de baterias, tm exigido um controle cada vez melhor do processo decarga e descarga, tornando o uso dos controladores mais necessrio e recomendvel.

Figura 3.1.1 -Sistema isolado com carga CC sem armazenamento.

Figura 3.1.2 -Sistema isolado com armazenamento e cargas CC.

3.1.3- Carga CA sem Armazenamento

Da mesma forma como apresentado para cargas CC, pode-se usar equipamentos que operem em correntealternada sem o uso de baterias, bastando, para tanto, a introduo de um inversor entre o arranjofotovoltaico e o equipamento a ser usado (vide Figura 3.1.3). Um exemplo deste uso quando se desejautilizar bombas com motores convencionais em Sistemas Fotovoltaicos.

3.1.4- Carga CA com Armazenamento

Para alimentao de equipamentos que operem em corrente alternada necessrio que se utilize um


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inversor. comum sistemas deste tipo incorporarem um seguidor do ponto de mxima potncia, quepode estar embutido no prprio inversor. Um caso tpico de aplicao destes sistemas no atendimentode residncias isoladas que faam uso de eletrodomsticos convencionais. Um exemplo de sistema queutiliza esta configurao pode ser visto na Figura 3.1.4.

3.2 - Sistemas Conectados Rede

Estes sistemas so basicamente de um nico tipo e so aqueles em que o arranjo fotovoltaico representauma fonte complementar ao sistema eltrico de grande porte ao qual est conectado. So sistemas quenormalmente no utilizam armazenamento de energia, pois toda a potncia gerada entregue redeinstantaneamente.

Instalaes deste tipo vm se tornando cada dia mais populares em diversos pases europeus, no Japo,Estados Unidos e mais recentemente no Brasil. As potncias instaladas vo desde poucos kWp eminstalaes residenciais, at alguns MWp em grandes sistemas operados por empresas. Conformeapresentado a seguir, estes sistemas se diferenciam quanto forma de conexo rede; nos sistemas

residenciais esta depender fortemente da legislao local.

3.2.1- Sistemas Residenciais

Existem basicamente trs tipos de conexo quanto forma de medio da energia. Todas elas devematender as exigncias de qualidade de energia da concessionria local quanto aos limites em distoroharmnica, desvio de freqncia e fator de potncia. Estas exigncias recaem sobre o inversor cujascaractersticas so discutidas no Captulo 4.

Alm da qualidade importante a questo de segurana. A concessionria deve ser capaz de isolar oSistema Fotovoltaico sempre que desejar e isto dever ser feito de forma simples e sistemtica, evitandoriscos para os tcnicos de manuteno da rede eltrica.

Figura 3.1.4 -Sistema isolado com armazenamento e seguidor do pontode mxima potncia para alimentao de cargas CA.

Figura 3.1.3 -Sistema isolado sem armazenamento

para alimentao de cargas CA.


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3.2.1.1- Medio nica do Balano de Energia

Esta opo, apresentada na Figura 3.2.1, depende da concessionria remunerar a energia entregue peloprodutor fotovoltaico ao mesmo preo que este compra da concessionria. Neste caso, um nico medidorregistra a entrada ou sada de energia eltrica na residncia apresentando, ao final do perodo, o valor dadiferena entre energia consumida e entregue rede.

3.2.1.3- Medies Simultneas

Quando se deseja ter informaes mais precisas sobre o consumo de energia e a produo do SF, deve-se

adotar este tipo de medio. Conforme pode ser visto na Figura 3.2.3, a conexo do SF rede feitaindependente do painel de servio local, evitando qualquer interferncia do circuito de consumo localcom a produo e/ou tarifao da energia gerada.

Por interesse do produtor fotovoltaico a caixa de juno deve garantir que toda a energia gerada possafluir, garantindo que caso a rede no esteja apta a receber esta energia, ela ser computada e portanto,comprada pela concessionria.

3.2.1.2- Medio Dupla

Aqui os medidores, que podem ser vistos na Figura 3.2.2, operam cada um num sentido, registrandoassim separadamente a compra e a venda de energia rede. Desta forma, valores diferentes podem seratribudos a cada uma das parcelas. Observe que a cada instante apenas um dos medidores estar emoperao dependendo da diferena instantnea entre demanda e potncia gerada pelo SF.

Figura 3.2.1 -Medio nica do balano de energia.

Figura 3.2.2 - Medio dupla.

Figura 3.2.3 - Medies simultneas.


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3.2.2- Sistemas de Grande Porte

Estes sistemas so operados por empresas e sua conexo com a rede em geral feita em mdia tenso, porexemplo, 13,8 kV.

A Figura 3.2.4mostra um esquema de um sistema deste tipo onde evidenciada a presena de umtransformador para elevar a tenso ao nvel de distribuio.

Figura 3.2.4 - Sistemas de grande porte.


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Captulo 4

Componentes Bsicos


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Captulo 4 - Componentes Bsicos

Este captulo tem a finalidade de descrever os componentes bsicos de um Sistema Solar Fotovoltaico.

O sistema compreende o agrupamento de mdulos em painis fotovoltaicos e de outros equipamentosrelativamente convencionais, que transformam ou armazenam a energia eltrica para que esta possa serutilizada facilmente nas vrias aplicaes finais.

De acordo com a Figura 3.1, o sistema normalmente composto por trs partes bsicas: o arranjo dosmdulos, o subsistema de condicionamento de potncia, o qual converte a sada do arranjo em potnciatil, e as baterias, que tm a funo de armazenar a energia eltrica gerada.

A clula solar que est localizada no mdulo o dispositivo mais importante de todo o sistema. responsvel pela converso da energia solar em energia eltrica.

O subsistema de condicionamento de potncia compreende: controlador de carga, inversor, conversor eseguidor do ponto de mxima potncia (MPPT). Estes so os equipamentos mais importantes que controlama energia enviada s baterias e aos pontos de consumo.

4.1 - Mdulo Fotovoltaico

O mdulo fotovoltaico a unidade bsica de todo o sistema. O mdulo composto por clulas conectadasem arranjos produzindo tenso e corrente suficientes para a utilizao da energia.

indispensvel o agrupamento em mdulos j que uma clula fornece pouca energia eltrica, em umatenso em torno de 0,4 Volts no ponto de mxima potncia, conforme explicado na seo 4.1.3. A densidadede corrente da ordem de 30 mA/cm2. Adicionalmente a clula apresenta espessura muito reduzida,necessitando de proteo contra esforos mecnicos e fatores ambientais.

O nmero de clulas conectadas em um mdulo e seu arranjo, que pode ser srie e/ou paralelo, dependeda tenso de utilizao e da corrente eltrica desejada. Deve ser dada cuidadosa ateno s clulas aserem reunidas, devido s suas caractersticas eltricas.

A incompatibilidade destas caractersticas leva a mdulos ruins, porque as clulas de maior fotocorrentee fotovoltagem dissipam seu excesso de potncia nas clulas de desempenho inferior. Em conseqncia,a eficincia global do mdulo fotovoltaico reduzida.

4.1.1 - Clula Fotovoltaica

A converso da energia solar em energia eltrica obtida utilizando-se material semicondutor comoelemento transformador, conhecido como clula fotovoltaica ou clula solar, conforme mencionado noCaptulo 2.

Os semicondutores mais apropriados converso da luz solar so os mais sensveis, ou melhor, aquelesque geram o maior produto corrente-tenso para a luz visvel, j que a maior parcela de energia fornecidapelos raios do sol est dentro da faixa visvel do espectro.


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Existe todo um processo para que o material semicondutor se transforme realmente em uma clulafotovoltaica. O que ocorre, de uma maneira geral, que o semicondutor deve passar por uma etapa depurificao e, em seguida, por uma etapa de dopagem, atravs da introduo de impurezas, dosadas naquantidade certa. Os principais tipos de clulas fotovoltaicas so apresentados a seguir.

Silcio (Si) Monocristalino

Este material basicamente o mesmo utilizado na fabricao de circuitos integrados para microeletrnica.As clulas so formadas em fatias de um nico grande cristal, previamente crescido e enfatiado. A grandeexperincia na sua fabricao e pureza do material, garantem alta confiabilidade do produto e altaseficincias. Enquanto o limite terico de converso da luz solar em energia eltrica, para esta tecnologia de 27%, valores nas faixas de 12 a 16% so encontrados em produtos comerciais. Devido s quantidadesde material utilizado e energia envolvida na sua fabricao, esta tecnologia apresenta srias barreiraspara reduo de custos, mesmo em grandes escalas de produo.

Silcio (Si) Multicristalino

Tambm chamado de Silcio (Si) Policristalino; estas clulas so fabricadas a partir do mesmo materialque, ao invs de formar um nico grande cristal, solidificado em forma de um bloco composto demuitos pequenos cristais. A partir deste bloco so obtidas fatias e fabricadas as clulas. A presena deinterfaces entre os vrios cristais reduz um pouco a eficincia destas clulas. Na prtica os produtosdisponveis alcanam eficincias muito prximas das oferecidas em clulas monocristalinas. Neste caso,a quantidade de material por clula basicamente o mesmo do caso anterior, entretanto, a energia necessriapara produz-las significativamente reduzida.

Filmes Finos

No intuito de buscar formas alternativas de se fabricar clulas fotovoltaicas, muito trabalho de pesquisatem sido realizado. Um dos principais campos de investigao o de clulas de filmes finos. O objetivogeral obter uma tcnica atravs da qual seja possvel produzir clulas fotovoltaicas confiveis, utilizandopouco material semicondutor, obtido de forma passvel de produo em larga escala, resultando em customais baixo do produto e consequentemente da energia gerada.

Estes estudos tem se dirigido a diferentes materiais semicondutores e tcnicas de deposio destes emcamadas finas com espessura de poucos mcrons. Entre os materiais mais estudados esto o silcio amorfohidrogenado (a-Si:H), o disseleneto de cobre e ndio (CIS) e o telureto de cdmio (CdTe).

O silcio amorfo responsvel pelo maior volume de produtos nesta rea embora outros j sejamdisponveis. No claro hoje qual das tecnologias em estudo ter maior sucesso no futuro. O que se podedizer que todas tm potencialidade de gerar produtos de baixo custo se produzidos em grande escala.Por outro lado, todas tm ainda obstculos a serem vencidos antes que possam alcanar uma plenamaturidade industrial e atingir o nvel de confiana das clulas cristalinas.

Para o silcio amorfo, estes obstculos esto relacionados principalmente com a estabilidade do material,

efeito Staebler-Wronski. No entanto, este efeito tem sido minimizado atravs da adoo de clulas commltiplas camadas.


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Clulas com concentrao

Uma possibilidade alternativa o uso de lentes concentradoras acopladas a clulas de alta eficincia. Paraeste uso o prprio silcio cristalino e o arseneto de glio (GaAs) tm sido utilizados na fabricao destasclulas. A questo aqui como conseguir sistemas simples e eficientes de focalizao de luz e de seguimentodo Sol, uma vez que apenas os raios diretos do Sol podem ser concentrados sobre o dispositivo.

4.1.2 - Caractersticas Construtivas dos Mdulos

As clulas fotovoltaicas de silcio so encapsuladas em mdulos. O empacotamento feito para quefiquem protegidas das intempries, principalmente da umidade do ar.

Cada clula solar, como j foi citado anteriormente, gera, aproximadamente, 0,4 Volts em seu ponto demxima potncia. Tenses mais altas so produzidas quando vrias clulas so conectadas em srie nomdulo.

Para carregar baterias de 12V, mdulos fotovoltaicos devem produzir aproximadamente 16V devido ao

efeito da temperatura e s perdas que ocorrem nos cabos e diodos de bloqueio. Dessa forma os mdulos,

atualmente em operao, contm entre 28 e 40 clulas de silcio cristalino. O dispositivo de filme fino

produz tenso mais alta do que a forma cristalina, podendo os mdulos possuir menos do que 28 clulas.

Devido ao processo de produo, baseado em depsito de material em um substrato, os mdulos de filme

fino apresentam fronteiras mais tnues para as clulas, por essa razo, mais difceis de se vizualizar.

Tambm apresentam tamanhos e formas livres, podendo adaptar-se a superfcies como telhas, janelas etc.

Geometria das clulas

importante considerar a geometria das clulas, j que elas devem ocupar o mximo de rea possvel domdulo. Atualmente existem clulas quadradas e redondas em operao. As quadradas ocupam melhorespao nos mdulos, enquanto que as redondas tm a vantagem de no sofrerem perda de material,devido forma cilndrica de crescimento do silcio mono-cristalino.

Encapsulamento das clulas de silcio cristalino

Antes de serem encapsuladas, as clulas de um mdulo devem ser conectadas em srie atravs de tiras de

metal, soldadas na parte de trs de uma clula e na frontal da seguinte. So conectadas duas tiras em cadaclula com a funo de segurana, caso ocorra interrupo da corrente em uma delas. Estas duas tiras soconhecidas como conexes redundantes.

Os materiais plsticos mais utilizados para o encapsulamento das clulas so o E.V.A e o Tedlar quefornecem proteo permanente. O lado frontal radiao solar incidente coberto, normalmente, porvidro temperado, ou plstico, ambos transparentes, ou ainda, resina de silicone, os quais so bastanteresistentes, promovendo rigidez mecnica e protegendo as clulas fotovoltaicas. A regio posterior radiao solar incidente coberta por camadas de materiais tais como: folha de alumnio, plstico Tedlare vidro. Estas camadas fornecem proteo para a parte de trs dos mdulos.

Finalmente uma estrutura metlica auto-portante permite uma montagem rpida dos mdulos. Utiliza-se geralmente, estrutura de alumnio anodizado.


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4.1.3 - Caractersticas Eltricas dos Mdulos

Geralmente, a potncia dos mdulos dada pela potncia de pico expressa na unidade (Wp)1. Entretanto,nem sempre este o melhor caminho para comparao entre diferentes tipos de mdulos.

Em certos casos, o que realmente importa como um mdulo pode carregar uma bateria mais rapidamente.

Isto decidido pela corrente que o mdulo pode gerar sob diferentes condies. Assim sendo, os parmetrosou caractersticas eltricas de um mdulo precisam ser entendidos para que se possa selecionar o tipo demdulo apropriado para cada sistema em particular.

Voltagem de circuito aberto e corrente de curto-circuito

Quando um mdulo est posicionado na direo do sol, a tenso pode ser medida entre os terminaispositivo e negativo atravs de um voltmetro. Se no houver, ainda, nenhuma conexo de qualquerequipamento ao mdulo, a corrente no flui; ento esta medida denominada tenso de circuito aberto

(Voc).A corrente deve ser medida por um ampermetro; e ainda sem as conexes de qualquer equipamento, seligarmos os terminais de um mdulo diretamente, haver uma corrente fluindo denominada corrente decurto-circuito (Isc); neste caso a tenso zero.

Curva caracterstica IxV

Quando um acessrio conectado, as medidas de corrente e tenso podem ser plotadas em um grfico.De acordo com as mudanas de condies da carga, novos valores de corrente e tenso so medidos, os

quais podem ser representados no mesmo grfico. Juntando todos os pontos, gera-se uma linha denominadacurva caracterstica IxV (vide Figura 4.1.1). Normalmente estas curvas esto associadas s condies emque foram obtidas (intensidade da radiao, temperatura etc.).

1 - A especificao da potncia do mdulo fotovoltaico dada em Wp (Watt pico), associada s condies padro de testes(STC - Standard Test Conditions): radiao solar de 1kW/m2, temperatura de clula 25oC e Massa de Ar 1,5.

Figura 4.1.1 -Curva caracterstica IxV tpica de uma clula de silciomonocristalino, normalizada pela corrente de curto-circuito.

(Fonte: Photovoltaic System Design - Course Manual)


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Figura 4.1.2 -Curva tpica de potncia versus tenso para a clulade silcio monocristalino da Figura 4.1.1.

(Fonte: Florida Solar Energy Center, Photovoltaic System Design - Course Manual)

Para cada ponto na curva IxV, o produto corrente-tenso representa a potncia gerada para aquela condiode operao. A Figura 4.1.2mostra que, para uma clula fotovoltaica, e conseqentemente, para o mdulo,existe somente uma tenso (e correspondente corrente) para a qual a potncia mxima pode ser extrada. importante ressaltar que no existe gerao de potncia para condies de circuito aberto e curto-circuito, j que tenso ou corrente so zero, respectivamente.

O ponto de potncia mxima corresponde, ento, ao produto da tenso de potncia mxima (Vmp) ecorrente de potncia mxima (Imp). Os valores Pm, Vmp, Imp, Voc e Isc so os cinco parmetros queespecificam o produto sob dadas condies de radiao, temperatura de operao e massa de ar.

A Figura 4.1.3mostra a curva caracterstica IxV superposta curva de potncia para anlise dos parmetros.

O fator de forma (FF) uma grandeza que expressa quanto a curva caracterstica se aproxima de umretngulo no diagrama IxV. Quanto melhor a qualidade das clulas no mdulo mais prxima da formaretangular ser sua curva IxV. A definio do FF apresentada na Figura 4.1.4.

Figura 4.1.3 -Parmetros de potncia mxima.(Fonte: Photovoltaic System Design - Course Manual)


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Conhecida ento a curva caracterstica IxV de uma clula ou um mdulo pode-se calcular:

* Potncia mxima Pm = Imp x Vmp

* Eficincia = (Imp x Vmp) / (A x Ic)

* Fator de Forma FF = (Imp x Vmp) / (Isc x Voc)

Onde : Ic = luz incidente - Potncia luminosa incidente (W/m2) A = rea til do mdulo (m2)

4.1.4 - Arranjo dos Mdulos

Os mdulos, assim como as clulas em um mdulo, podem ser conectados em ligaes srie e/ou paralelo,dependendo da potncia e tenso desejadas.

Dispositivos fotovoltaicos conectados em srie

A conexo em srie dos dispositivos fotovoltaicos feita de um terminal positivo de um mdulo a umterminal negativo de outro, e assim por diante.

Quando a ligao srie (isto idntico para clulas, mdulos e painis) as tenses so adicionadas e acorrente no afetada, ou seja:

V= V1+ V2+ ....+ Vn

I = I1= I2= ....In

Obs.:Ao assumir-se as correntes individuais iguais, significa considerar-se mdulos idnticos sob as mesmascondies de radiao e temperatura. Isto em geral no totalmente verdade mas pode muitas vezes,ser uma boa aproximao, desde que alguns cuidados na seleo dos mdulos e sua disposio sejam

observados.

O efeito da conexo em srie est ilustrado na Figura 4.1.5, atravs da curva caracterstica IxV.

FF = Imp x Vmp Isc x Voc

Figura 4.1.4 -Fator de Forma: definio.(Fonte: Photovoltaic System Design - Course Manual)


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Dispositivos fotovoltaicos conectados em paralelo

Dispositivos conectados em paralelo compreendem ligaes de terminais positivos juntos e terminaisnegativos juntos.

A conexo em paralelo causa a adio das correntes enquanto que a tenso continua a mesma. Ou seja:

I = I1+ I2+ ... + In

V= V1= V2= ...Vn

Obs.:Os comentrios feitos para as conexes em srie tambm se aplicam aqui, para a igualdade das tenses.

A Figura 4.1.6ilustra o efeito da adio das correntes em dispositivos conectados em paralelo, atravs dacurva caracterstica IxV.

4.1.5 - Fatores que Afetam as Caractersticas Eltricas dos Mdulos

O desempenho dos mdulos fotovoltaicos fundamentalmente influenciado pela intensidade luminosae temperatura das clulas.

Figura 4.1.6 -Curvas IxV para a conexo em paralelo de dois dispositivos fotovoltaicos.(Fonte: Photovoltaic System Design - Course Manual)

Figura 4.1.5 -Curvas IxV para a conexo em srie de dois dispositivos fotovoltaicos.(Fonte: Photovoltaic System Design - Course Manual)


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A condio padro para plotagem das curvas caractersticas e testes dos mdulos definida para a radiaode 1000 W/m2(radiao recebida na superfcie da terra em dia claro, ao meio dia), e temperatura de 25Cna clula (a eficincia da clula reduzida com o aumento da temperatura).

Intensidade luminosa

Como mostra a Figura 4.1.7, a corrente gerada pelo mdulo aumenta linearmente com o aumento daintensidade luminosa.

importante ressaltar, conforme visto no Captulo 2, que o sol possui movimento aparente no cu deacordo com a hora do dia e com o dia do ano. Para receber maior intensidade luminosa necessrio

Figura 4.1.7 -Efeito causado pela variao da intensidadeda luz na curva caracterstica IxV para um mdulo fotovoltaico.

(Fonte: Universidade de Berlin - EMI/SES)

Figura 4.1.8 -Efeito causado pela temperatura da clula na curvacaracterstica IxV (para 1000 W/m2) em um mdulo fotovoltaico de silcio cristalino.

(Fonte: Universidade de Berlin - EMI/SES)


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4.2 - Baterias

Baterias so conhecidas por serem uma conveniente e eficiente forma de armazenamento de energia.Quando uma bateria est conectada a um circuito eltrico, h fluxo de corrente devido a uma transformaoeletroqumica no seu interior, ou seja, h produo de corrente contnua atravs da converso de energiaqumica em energia eltrica.

A mais simples unidade de operao de uma bateria chamada de clula eletroqumica ou, simplesmente,clula. Uma bateria pode ser composta de apenas uma clula ou do arranjo eltrico de diversas.

Baterias podem ser classificadas em recarregveise no-recarregveisdependendo do tipo de clula deque so compostas. Existem dois tipos bsicos de clulas: primrias e secundrias.

As clulas primriascompem as baterias que podem ser utilizadas apenas uma vez (no-recarregveis).Quando as clulas primrias descarregam-se completamente sua vida til termina e elas so inutilizadas.As baterias no-recarregveis ou primrias so geralmente utilizadas como fontes de energia de baixapotncia, em aplicaes tais como relgios de pulso, aparelhos de memria digital, calculadoras e muitosoutros aparelhos portteis. possvel encontrar baterias compostas por clulas primrias que admitemrecargas leves, aumentando sua vida til.

As clulas secundriascompem as baterias recarregveis, ou seja, aquelas que podem ser carregadascom o auxlio de uma fonte de tenso ou corrente e reutilizadas vrias vezes. So comumente chamadasde acumuladores ou baterias de armazenamento e so teis na maioria das aplicaes por longosperodos, como por exemplo, em Sistemas Fotovoltaicos.

Para cada tipo de clula existem diversas tecnologias de construo e diversas possibilidades de composio(materiais envolvidos). As Tabelas 4.2.1 e 4.2.2mostram, de forma comparativa, diversos tipos de bateriasrecarregveis destacando tecnologias, densidade de potncia, custo etc.. Atualmente, as baterias chumbo-cido e nquel-cdmio so as mais utilizadas e sero descritas com mais detalhes a seguir. Tecnologiascomo nquel-ferro, sdio-enxfre e nquel-hidrognio so muito promissoras. Para o caso especfico de

Sistemas Fotovoltaicos as baterias chumbo-cido respondem pela quase totalidade dos sistemas jinstalados e tem-se dado preferncia s abertaspara sistemas grandes e s seladaspara sistemas pequenos.

acompanhamento destes movimentos. Entretanto, os mdulos, normalmente, so instalados em posiofixa, devido ao elevado custo dos equipamentos que permitem sua movimentao (seguidores ou track-ers). Dessa forma, fundamental determinar a melhor inclinao para cada regio em funo da latitudelocal e das caractersticas da demanda.

Temperatura das clulas

A incidncia de um nvel de insolao e a variao da temperatura ambiente implicam uma variao detemperatura nas clulas que compem os mdulos. A Figura 4.1.8mostra curvas IxV para diversastemperaturas de clula, deixando claro a influncia quando se compara os joelhos das curvas. O aumentodo nvel de insolao aumenta a temperatura da clula e consequentemente tende a reduzir a eficincia domdulo. Isto se deve ao fato de que a tenso diminui significativamente com o aumento da temperaturaenquanto que a corrente sofre uma elevao muito pequena, quase desprezvel. Os mdulos de silcioamorfo apresentam uma menor influncia da temperatura na potncia de pico, embora tambm soframreduo no seu desempenho.


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Tabela 4.2.1 -Estado atual de desenvolvimento e disponibilidade

dos principais tipos de baterias secundrias.(Fonte: Photovoltaic System Technology - An European Handbook)


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Tabela 4.2.2 -Caractersticas tcnicas das baterias secundrias.

(Fonte: Photovoltaic System Technology - An European Handbook)

1Tenso de Circuito Aberto2Geralmente com profundidades de descarga de 60 a 80%; vida til significativamente mais elevadaspara menores profundidades de descargas.3No disponveis

4.2.1 - Terminologia

A seguir apresentada uma terminologia com os principais termos relativos a baterias.

Auto-descarga

Num processo espontneo, todas as baterias descarregam gradualmente, atravs de processos qumicos

internos, quando no esto em uso. A este processo d-se o nome de auto-descarga.A taxa de auto-descarga normalmente especificada como uma percentagem da capacidade nominal que perdida a cada ms.

As baterias de chumbo-cido tm como caracterstica uma alta taxa de auto-descarga. Quando no estosendo utilizadas, podem perder de 5 a 30 % por ms de sua capacidade, dependendo da temperatura ecomposio qumica da clula. Comparativamente, a faixa mdia de auto-descarga das baterias de nquel-cdmio de 3 a 6% ao ms.

Bateria

A palavra bateria refere-se a um grupo de clulas conectadas eletricamente em srie e/ou paralelo paraproduzir uma tenso e/ou corrente mais elevada do que a que pode ser obtida por uma nica clula. Uma


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bateria pode tambm ser constituda por uma nica clula caso esta se constitua num sistema dearmazenamento eletroqumico completo.

Capacidade

Embora a capacidade de uma bateria seja normalmente definida como a quantidade de Ampres-hora quepode ser retirada da mesma quando esta apresenta carga plena, pode, tambm, expressar capacidade emtermos de energia (Watt-hora ou kiloWatt-hora).

Capacidade Nominal- uma estimativa conservadora do fabricante do nmero total de Ampres-horaque pode ser retirado de uma clula ou bateria nova para os valores especificados de corrente de descarga,temperatura e tenso de corte.

Capacidade Instalada- o total de Ampres-hora que pode ser retirado de uma clula ou bateria novasob um conjunto especfico de condies operacionais, incluindo a taxa de descarga, temperatura, e tensode corte.

Capacidade Disponvel- o total de Ampres-hora que pode ser retirado de uma clula ou bateria sobum conjunto especfico de condies operacionais, incluindo a taxa de descarga, temperatura, estadoinicial de carga, idade e tenso de corte.

Capacidade de Energia- o nmero total de Watts-hora que pode ser retirado de uma clula ou bateriatotalmente carregada.

Teoricamente, uma bateria de 200 Ah deve ser capaz de fornecer corrente de 200 A durante 1 hora, ou 50A por 4 horas, ou 4 A por 50 horas, ou ainda, 1 A por 200 horas. Um fator que influencia na capacidadeda bateria a velocidade de carga ou descarga. Quanto mais lento for o descarregamento, ligeiramente

maior ser a sua disponibilidade de carga e vice-versa. Os fabricantes normalmente fornecem a capacidadepara cada regime de descarga.

Outro fator que influencia na capacidade a temperatura de operao da bateria. As baterias so projetadaspara trabalharem a 25oC. Assim, temperaturas mais baixas reduzem significativamente sua capacidade etemperaturas mais altas resultam em uma capacidade ligeiramente maior acarretando, contudo, aumentoda perda de gua e diminuio do nmero de ciclos, durante a vida til da bateria.

Carga

Converso de energia eltrica em potencial eletroqumico no interior da clula.Clula

a unidade eletroqumica bsica de uma bateria e possui uma tenso caracterstica que depende dosmateriais nela contidos. Uma clula uma combinao de dois eletrodos e do eletrlito. Quando umaclula est descarregando, ocorrem reaes qumicas entre o material ativo de cada eletrodo e o eletrlito,que produzem eletricidade. Durante o processo de carga, a reao inversa ocorre consumindo energia.

A polaridade dos eletrodos indica o sinal da carga que eles possuem. essencial que os eletrodos positivoe negativo no se toquem. Caso isto ocorra, um curto-circuito ser causado e a clula descarregar

rapidamente.

Quando todo o material ativo nos dois eletrodos convertido, a clula est completamente descarregada.


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Durante o carregamento o processo revertido; ocorre a converso do material ativo para o estado inicial.

Ciclo

A sequncia carga-descarga de uma bateria at uma determinada profundidade de descarga chamada deciclo.

Densidade de energia

Energia nominal (capacidade de energia) normalizada pelo volume ou pelo peso da clula ou bateria.

Descarga

Processo de retirada de corrente de uma clula ou bateria atravs da converso de potencial eletroqumicoem energia eltrica, no interior da clula. Quando a descarga ultrapassa 50% da capacidade da bateria, ela chamada de Descarga Profunda.

Eficincia

Relao entre a sada til e a entrada. Existem trs formas de se expressar a eficincia de uma bateria:

Eficincia Coulmbica ou de Ampre-hora (Ah)- relao entre a quantidade de Ah retirada de umaclula durante a descarga e a quantidade necessria para restaurar o estado de carga inicial. calculadaatravs da razo entre a integral da corrente ao longo do tempo de descarga e carga.

Eficincia de Tenso- relao entre a tenso mdia durante a descarga de uma clula ou bateria e datenso mdia durante a carga necessria para restaurar a capacidade inicial.

Eficincia de Energia ou de Watt-hora (Wh)- relao entre a energia retirada da bateria durante oprocesso de descarga e a energia necessria para restaurar o estado de carga inicial.

Eletrodo

Os eletrodos fornecem suporte estrutural para o material ativo e transportam corrente para o topo dosterminais. Embora haja reverso de polaridade durante os processos de carga e descarga chama-se,normalmente,

manual de engenharia fv 2004

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