paineis solares fotovoltaicos

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INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE COIMBRA

Paineis solares fotovoltaicos

Aluno Filipe Simes de Oliveira N- 21201150

Trabalho realizado no mbito da unidade curricular de Instalao e Manuteno de Equipamentos da 4edio do Cet de energia e automao pelo instituto superior de engenharia de Coimbra

Docente da Unidade Curricular: Eng.. Ladeira Francisco

Coimbra, 27 de Outubro de 2011

IndiceIntroduo..................................................................................................................3 Sistemas e aplicaes fotovoltaicos..........................................................................4 Sistemas autnomos..............................................................................................4 Sistemas ligados rede.........................................................................................6 Descrio da tecnologia.............................................................................................8 Composio fsica dos dispositivos Fotovoltaicos.................................................8 Fabricao dos mdulos fotovoltaicos:................................................................10 Os diferentes tipos de painis solares fotovoltaicos............................................12 Vantagens e desvantagens..................................................................................13 Instalao e manuteno.........................................................................................15 Localizao e orientao dos mdulos................................................................15 Localizao dos demais equipamentos ..............................................................15 Manuteno dos mdulos fotovoltaicos...............................................................16 Manuteno das baterias.....................................................................................16 Concluso...............................................................................................................17 Bibliografia:..............................................................................................................18

IntroduoA energia solar fotovoltaica a energia eltrica que se obtm diretamente do sol. O sol uma fonte de energia gratuita e inesgotvel, e a sua utilizao no produz emisses de gases de efeito estufa. Mediante uns painis fotovoltaicos, podemos produzir eletricidade durante o dia, armazen-la e consumi-la posteriormente. Quando a rede eltrica no chega a uma moradia, a forma mais econmica, rentvel e respeitosa com o meio ambiente de gerar electricidade utilizando energia solar fotovoltaica. Utilizando energia solar fotovoltaica contribumos a reduzir o consumo e a dependncia das energias fsseis, reduzindo a sua vez as emisses de gases derivados de sua combusto e causadoras do efeito estufa. As energias fsseis so um recurso esgotavel j que se consomem a um ritmo muito superior ao que se produzem de forma natural. Aproveitando a energia do sol, em mudana, apresenta-se um sistema de produo de energia sustentvel, consome-se a energia que diariamente produz o sol.

Sistemas e aplicaes fotovoltaicosOs sistemas fotovoltaicos podem ser divididos em sistemas ligados rede e em sistemas autnomos. No ltimo caso, o aproveitamento da energia solar precisa de ser ajustado procura energtica. Uma vez que a energia produzida no corresponde (na maior parte das vezes) procura pontual de energia de um consumidor concreto, torna-se obrigatrio considerar um sistema de armazenamento (baterias) e meios de apoio complementares de produo de energia (sistemas hbridos). No caso dos sistemas com ligao rede, a rede pblica de distribuio de electricidade opera como um acumulador de energia elctrica. Contrastando com o caso Portugus, em alguns pases, como o caso da Alemanha, a maioria dos sistemas fotovoltaicos encontram-se ligados rede. Nestes sistemas, a totalidade da energia produzida injectada na rede pblica de distribuio de energia elctrica, como resultado da receita adicional que conseguida pelo maior valor que pago, por cada unidade de energia elctrica produzida por sistemas fotovoltaicos. Ainda no caso da Alemanha, h previses no sentido de que, no ano 2050, os sistemas fotovoltaicos possam ser responsveis por uma fatia significativa da energia elctrica fornecida (cerca de um tero). Nos prximos anos, ser de prever que os sistemas fotovoltaicos sejam progressivamente instalados na Europa. A longo prazo, ser mesmo de prever um aumento generalizado da sua procura. Paralelamente, os sistemas autnomos assumiro um papel de grande relevo nos pases em vias de desenvolvimento. A indstria fotovoltaica local poder ter um papel chave na crescente implementao deste tipo de sistemas domsticos.

Sistemas autnomosOs sistemas autnomos constituram o primeiro campo de operao econmica da tecnologia fotovoltaica. A aplicao deste tipo de sistemas autnomos, observa-se onde o fornecimento de energia atravs da rede pblica de distribuio de energia elctrica, no se verifica por razes tcnicas e/ou econmicas. Nestes casos, os sistemas fotovoltaicos autnomos podem constituir alternativas com umavertente econmica de elevado interesse. Este cenrio vem ao encontro do grande potencial para a implementao dos sistemas autnomos nos pases em vias de desenvolvimento, onde se encontram grandes reas que permanecem sem fornecimento de energia elctrica. As sucessivas evolues tecnolgicas e a diminuio dos custos de produo nos pases industrializados, podero tambm contribuir para a generalizao deste tipo de aplicao. No campo das pequenas aplicaes solares de fornecimento de energia elctrica, tambm podemos observar considerveis avanos: calculadoras electrnicas, relgios, carregadores de pilhas, lanternas e rdios, so alguns dos exemplos conhecidos do uso bem sucedido das clulas solares em sistemas autnomos de reduzida dimenso.

Candeeiro de jardim

Carregador de pilhas

Carro movido a energia solar

Na prtica, os sistemas autnomos precisam de acumular energia, para compensar as diferenas existentes no tempo entre a produo de energia e a sua procura. As baterias recarregveis so consideradas apropriadas como acumuladores de energia. Em geral, a utilizao de acumuladores obriga a que se torne indispensvel a utilizao de um regulador de carga adequado que faa a gesto do processo de carga, por forma a proteger e garantir uma elevada fiabilidade e um maior tempo de vida til dos acumuladores. Assim sendo, um sistema autnomo tpico consta dos seguintes componentes: 1. Gerador fotovoltaico 2. (um ou vrios mdulos fotovoltaicos, maioritariamente dispostos em paralelo) 3. Regulador de carga 4. Acumulador 5. Consumidor

Princpio de um sistema fotovoltaico autnomo

Sistemas ligados redeSer de prever na Europa um forte crescimento, no que respeita aos sistemas fotovoltaicos com ligao rede pblica elctrica. No caso concreto da Alemanha, os sistemas fotovoltaicos com ligao rede, foram instalados com maior intensidade aps a entrada em vigor de subsdios governamentais no mbito do Programa dos 1.000 telhados (1991-1995). Com a posterior evoluo para o Programa dos 100.000 telhados (desde 1999) e o Decreto das Fontes de energia Renovvel (EEG1/4/2000), o Governo Federal lanou no mercado um conjunto de programas dinamizadores, os quais tiveram reconhecimento a nvel mundial. Um dos aspectos mais importantes dos sistemas fotovoltaicos ligados rede, tem sido a sua interligao rede pblica elctrica. Um sistema fotovoltaico com ligao rede composto, normalmente, pelos seguintes componentes: 1. Gerador fotovoltaico (vrios mdulos fotovoltaicos dispostos em srie e em paralelo, com estruturas de suporte e de montagem) 2. Caixa de juno (equipada com dispositivos de proteco e interruptor de corte principal DC) 3. Cabos AC-DC 4. Inversor 5. Mecanismo de proteco e aparelho de medida A figura a seguir mostra a estrutura principal de um sistema fotovoltaico com ligao rede.

Estrutura Principal de um sistema fotovoltaico com ligao rede

De incio, o local preferencial para a instalao tcnica fotovoltaica, foi o topo dos telhados dos edifcios. Posteriormente, a integrao dos sistemas fotovoltaicos em diferentes tipos de prdios (apartamentos, escolas, centros comerciais), tem vindo a ganhar um espao cada vez maior. Paralelamente, a utilizao da tecnologia fotovoltaica em diferentes formas de construo, como por exemplo nos painis anti-rudo das auto-estradas, est tambm a crescer de forma acentuada. Um outro tipo de projecto, tambm em franca expanso, refere-se aos grandes projectos fotovoltaicos que so construdos superfcie do solo, formando grandes centrais fotovoltaicas ligadas rede. Este tipo de projecto fotovoltaico tem vindo a ser promovido por empresas operadoras do sector elctrico.

Sistema fotovoltaico ligado rede, instalado no telhado de uma casa famlia (esquerda) Sistema fotovoltaico com ligao rede numa rea urbana, na zona comercial (centro) Sistema fotovoltaico com ligao rede, encontrando-se a instalao fixada no solo (direita)

Descrio da tecnologiaA funo de uma clula fotovoltaica consiste em converter directamente a energia solar em electricidade. A forma mais comum das clulas solares o fazerem atravs do efeito fotovoltaico. Efeito fotovoltaico: Os mdulos so compostos de celulas solares de silcio. Elas so semicondutoras de electricidade porque o silcio um material com caractersticas intermdias entre um condutor e um isolante.

Composio fsica dos dispositivos FotovoltaicosO silcio apresenta-se normalmente como areia. Atravs de mtodos adequados obtm-se o silcio em forma pura. O cristal de silcio puro no possui electres livres e portanto um mau condutor elctrico. Para alterar isto acrescentam-se percentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem. Mediante a dopagem do silcio com o fsforo obtm-se um material com electres livres ou material com portadores de carga negativa (silcio tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invs de fsforo, obtm-se um material com caractersticas inversas, ou seja, dfice de electres ou material com cargas positivas livres (silcio tipo P). Cada clula solar compe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P.

Separadamente, ambas as capas so electricamente neutras. Mas ao serem unidas, exactamente na unio P-N, gera-se um campo elctrico devido aos electres do silcio tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silcio tipo P. Ao incidir a luz sobre a clula fotovoltaica, os fotes que a integram chocam-se com os electres da estrutura do silcio dando-lhes energia e

transformando-os em condutores. Devido ao campo elctrico gerado na unio P-N, os electres so orientados e fluem da camada "P" para a camada "N". Por meio de um condutor externo, conecta-se a camada negativa positiva. Gera-se assim um fluxo de electres (corrente elctrica) na conexo. Enquanto a luz continue a incidir na clula, o fluxo de electres manter-se-. A intensidade da corrente gerada variar proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente. Cada mdulo fotovoltaico formado por uma determinada quantidade de clulas conectadas em srie. Como se viu anteriormente, ao unir-se a camada negativa de uma clula com a positiva da seguinte, os electres fluem atravs dos condutores de uma clula para a outra. Este fluxo repete-se at chegar ltima clula do mdulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria. Cada electro que abandona o mdulo substitudo por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexo entre mdulo e bateria contem o fluxo, de modo que quando um electro abandona a ltima clula do mdulo e encaminha-se para a bateria outro electro entra na primeira clula a partir da bateria. por isso que se considera inesgotvel um dispositivo fotovoltaico. Produz energia elctrica em resposta energia luminosa que entra no mesmo. Deve-se esclarecer que uma clula fotovoltaica no pode armazenar energia elctrica. Existem trs tipos principais de clulas solares: As clulas mono-cristalinas representam a primeira gerao. O seu rendimento elctrico relativamente elevado (aproximadamente 16%, podendo subir at cerca de 23% em laboratrio), mas as tcnicas utilizadas na sua produo so complexas e caras. Por outro lado, necessria uma grande quantidade de energia no seu fabrico, devido exigncia de utilizar materiais em estado muito puro e com uma estrutura de cristal perfeita. As clulas poli-cristalinas tm um custo de produo inferior por necessitarem de menos energia no seu fabrico, mas apresentam um rendimento elctrico inferior (entre 11% e 13%,

obtendo-se at 18% em laboratrio). Esta reduo de rendimento causada pela imperfeio do cristal, devido ao sistema de fabrico.

As clulas de silcio amorfo so as que apresentam o custo mais reduzido, mas em contrapartida o seu rendimento elctrico tambm o mais reduzido (aproximadamente 8% a 10%, ou 13% em laboratrio). As clulas de silcio amorfo so pelculas muito finas, o que permite serem utilizadas como material de construo, tirando ainda o proveito energtico. Rendimento elctrico dos vrios tipos de clulas fotovoltaicas (Fonte: BP Solar)

Fabricao dos mdulos fotovoltaicos:O mdulo fotovoltaico composto por clulas individuais conectadas em srie. Este tipo de conexo permite adicionar tenses. A tenso nominal do mdulo ser igual ao produto do nmero de clulas que o compem pela tenso de cada clula (aprox. 0,5 volts). Geralmente produzem-se mdulos formados por 30, 32, 33 e 36 clulas em srie, conforme a aplicao requerida. Procura-se dar ao mdulo rigidez na sua estrutura, isolamento elctrico e resistncia aos factores climticos. Por isso, as clulas conectadas em srie so encapsuladas num plstico elstico (Etilvinilacelato) que faz tambm o papel de isolante elctrico, um vidro temperado com baixo contedo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plstica multicamada (Polister) na face posterior. Em alguns casos o vidro substitudo por uma lamina de material plstico transparente. O mdulo tem uma moldura composta de alumnio ou poliuretano e caixas de conexes s quais chegam os terminais positivo e negativo da srie de clulas. Nos bornes das caixas conectam-se os cabos que ligam o mdulo ao sistema. Etapas do processo de fabricao do mdulo: Ensaio elctrico e classificao das clulas Interconexo elctrica das clulas Montagem do conjunto. Colocao das clulas soldadas entre camadas de plstico encapsulante e laminas de vidro e plstico Laminao do mdulo. O conjunto processado numa mquina semiautomtica a alto vcuo que, por um processo de aquecimento e presso mecnica, conforma o laminado.

Curagem. O laminado processa-se num forno com temperatura controlada no qual completa-se a polimerizao do plstico encapsulante e alcana-se a adeso perfeita dos diferentes componentes. O conjunto, depois da curagem, constitui uma nica pea. Emoldurao. Coloca-se primeiramente um selante elstico em todo o permetro do laminado e a seguir os perfis de alumnio que formam a moldura. Usam-se mquinas pneumticas para conseguir a presso adequada. As molduras de poliuretano so colocadas por meio de mquinas de injeco. Colocao de terminais, bornes, dodos e caixas de conexes Ensaio final

Ensaio dos mdulos Sobre os mdulos deve medir-se e observar-se: Caractersticas elctricas operacionais Isolamento elctrico (a 3000 Volt de C.C.) Aspectos fsicos, defeitos de acabamento, etc Resistncia ao impacto Resistncia traco das conexes Resistncia nevoa salina e humidade ambiente Comportamento a temperatura elevadas por perodos prolongados (100 graus Celsius durante 20 dias) Estabilidade s mudanas trmicas (de -40 C a +90 C) em ciclos sucessivos A converso directa da radiao solar em electricidade consegue-se em materiais semicondutores, com campos elctricos internos capazes de acelerar os pares electro-lacuna criados por incidncia dos fotes solares por forma a gerar uma corrente elctrica que alimenta um circuito elctrico exterior

Converso directa da radiao solar em electricidade

Os diferentes tipos de painis solares fotovoltaicosUma clula individual, unidade de base dum sistema fotovoltaico, produz apenas uma reduzida potncia elctrica, o que tipicamente varia entre 1 e 3 W, com uma tenso menor que 1 Volt. Para disponibilizar potncias mais elevadas, as clulas so integradas, formando um mdulo (ou painel). Ligaes em srie de vrias clulas aumentam a tenso disponibilizada, enquando que ligaes em paralelo permitem aumentar a corrente elctrica. A maioria dos mdulos comercializados composta por 36 clulas de silcio cristalino, conectadas em srie, para aplicaes de 12V. Quanto maior for o mdulo, maior ser a potncia e/ou a corrente disponvel

Painis solares fotovoltaicos

Encontram-se, geralmente, 3 tipos de painis solares: - Painis de baixa voltagem / baixa potncia feito de 3 at 12 pequenos segmentos de silcio amorfo, com uma superfcie total de alguns centmetros quadrados. A voltagem encontra-se entre 1.5 e 6 V, e a potncia de alguns miliwatts. O uso de este tipo de mdulos frequente em relgios, calculadoras...etc. - Pequenos painis de 1-10 W e 3-12 V. A utilizao principal destes mdulos feita em rdios, jogos, pequenas bombas de gua...etc. - Grandes painis de 10 at 60 W, com uma tenso de 6 ou 12 V. A utilizao principal feita essencialmente em grandes bombas de gua, para responder s necessidades de electricidade de caravanas (luz e refrigerao), e tambm em casas.

Exemplo de aplicao de painis solares fotovoltaicos

Vantagens e desvantagensA tecnologia solar fotovoltaica apresenta um grande nmero de vantagens: - Alta fiabilidade no tem peas mveis, o que muito til em aplicaes em locais isolados. - A fcil portabilidade e adaptabilidade dos mdulos - permite montagens simples e adaptveis a vrias necessidades energticas. Os sistemas podem ser dimensionados para aplicaes de alguns miliwatts ou de kiloWatts.

- O custo de operao reduzido - a manuteno quase inexistente: no necessita combustvel, transporte, nem trabalhadores altamente qualificados. - A tecnologia fotovoltaica apresenta qualidades ecolgicas pois o produto final no poluente, silencioso e no perturba o ambiente. No entanto esta tecnologia apresenta tambm algumas desvantagens: - O fabrico dos mdulos fotovoltaicos necessita tecnologia muito sofisticada necessitando de um custo de investimento elevado. - O rendimento real de converso dum modulo reduzido (o limite terico mximo numa clula de silcio cristalino de 28%), face ao custo do investimento. - Os geradores fotovoltaicos raramente so competitivos do ponto de vista econmico, face a outros tipos de geradores (e.g. geradores a gasleo). A excepo restringe-se a casos onde existam reduzidas necessidades de energia em locais isolados e/ou em situaes de grande preocupao ambiental. - Quando necessrio proceder ao armazenamento de energia sob a forma qumica (baterias), o custo do sistema fotovoltaico torna-se ainda mais elevado.

Esquema duma instalao fotovoltaica completa (a) Painis solares fotovoltaicos (b) Sistema de regulao da potncia dos painis (c) Sistema de armazenamento de electricidade, geralmente baterias (d) Conversor DC - AC (e) Sistema de backup (opcional) (f) Sistema de regulao do sistema de backup (g) Sistema de ligao

Instalao e manutenoLocalizao e orientao dos mdulosPara a boa instalao importante seleccionar a melhor localizao possvel para os mdulos fotovoltaicos. A localizao deve reunir duas condies: 1) Estar o mais prximo possvel das baterias (a fim de minimizar a seco do cabo); 2) Ter condies ptimas para a recepo da radiao solar. Os mdulos devero estar suficientemente afastados de qualquer objecto que projecte sombra sobre eles no perodo de melhor radiao (habitualmente das 9 s 17 horas) no dia mais curto do ano. Os mdulos devero ser orientados de modo a que a sua parte frontal olhe para o Sul geogrfico (ou Norte, quando no hemisfrio Sul). Quando o Sol alcanar o ponto mais alto da sua trajectria (meio dia) sua posio coincide com o Sul geogrfico. Para conseguir um melhor aproveitamento da radiao solar incidente, os mdulos devero estar inclinados em relao ao plano horizontal num ngulo que variar com a latitude da instalao. A BP Solar recomenda a adopo dos seguintes ngulos de inclinao: Latitude 0 a 4 graus 5 a 20 graus 21 a 45 graus 46 a 65 graus 66 a 75 graus ngulo de inclinao 10 graus latitude + 5 graus latitude + 10 graus latitude + 15 graus 80 graus

Exemplo: como Lisboa est na latitude 39, o ngulo de inclinao do painel poder ser de 49. Pequenas variaes de ngulo no afectam significativamente o rendimento da instalao. No hemisfrio Norte as placas ficaro voltadas para o Sul geogrfico (que tem uma diferena de 17 em relao ao Sul magntico). No hemisfrio Sul as placas ficaro voltadas para o Norte geogrfico.

Localizao dos demais equipamentosO regulador de carga das baterias poder estar localizado na prpria estrutura (caso dos geradores solares de apenas um ou dois mdulos) ou em algum lugar prximo do banco de baterias (caso dos geradores com maior quantidade de mdulos).

As baterias devero ser instaladas num compartimento separado do resto da habitao e com ventilao adequada, pois das baterias de chumbo-cido emanam gases explosivos. Nas instalaes rurais aconselhvel ter um quadro de distribuio com uma entrada para o banco de baterias e uma ou duas sadas (com as respectivas proteces) em que se repartiro os consumos das habitaes. No referido quadro tambm poder haver um sistema indicador do estado de carga das baterias. Para isso conveniente colocar o quadro num lugar da habitao de acesso fcil a fim de manter o controlo adequado.

Manuteno dos mdulos fotovoltaicosUma das grandes vantagens dos sistemas de produo fotovoltaicos que no necessitam manuteno alguma. por isso que so os ideais nos stios em que preciso autonomia de funcionamento. A parte frontal dos mdulos constituda por um vidro temperado com 3 a 3,5 mm de espessura, o que os torna resistentes at ao granizo. Alm disso, admitem qualquer tipo de variao climtica. Eles so auto-limpantes devido prpria inclinao que o mdulo deve ter, de modo que a sujidade pode escorrer. De qualquer forma, nos lugares onde seja possvel, ser conveniente limpar a parte frontal dos mdulos com gua misturada com detergente. Deve-se verificar periodicamente que o ngulo de inclinao obedece ao especificado. Deve-se confirmar que no haja projeco de sombras de objectos prximos em nenhum sector dos mdulos entre as 9 e as 17 horas, pelo menos. Deve-se verificar periodicamente se as ligaes elctricas esto bem ajustadas e sem sinais de oxidao.

Manuteno das bateriasObservar periodicamente o nvel de gua em cada um dos compartimentos de todas as baterias. Caso o nvel esteja baixo, completar com gua desmineralizada. Inspecionar os terminais a fim de verificar se esto bem ajustados e sem corroso. Obserar se exise sulfatao, pois isto poderia indicar gs na bateria e portanto uma falha do sistema de regulao.

ConclusoO crescente desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica significa que, nos dias de hoje, o projectista do sistema tem ao seu dispor uma grande variedade de mdulos e de sistemas de montagem. Existem diferentes opes de instalao, dependendo da dimenso do sistema, do conceito e das condies do local. A instalao de um sistema fotovoltaico requer um extenso conhecimento profissional e, em alguns dos casos, o envolvimento de profissionais de vrias reas (carpinteiros, electricistas, empreiteiros, etc.). Infelizmente, com alguma frequncia, os documentos tcnicos fornecidos pelos fabricantes e as instrues de montagem so muito insuficientes. Ao trabalharem num telhado, os electricistas encontram-se frequentemente num territrio totalmente desconhecido. A entrada num telhado requer o apoio tcnico de profissionais da rea, dado que os trabalhos no telhado no podem, de forma alguma, comprometer a impermeabilizao deste. Para alm do tipo de material usado, a inclinao do telhado outro factor decisivo. De notar ainda que deve ser assegurada a estabilidade estrutural do telhado, bem como de todos os elementos que suportam o gerador fotovoltaico.

Bibliografia:Energia Fotovoltaica - Manual sobre tecnologias, projecto e instalao retirado do site www.renovaveis.tecnopt.com Painis Solares Fotovoltaicos - Tecnologias de micro-gerao e sistemas perifricos