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Painel tecnológico para o ensino médio e técnico:

Energias Alternativas e oportunidades profissionais

PRINCÍPIOS E UTILIZAÇÃO DA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Roberto Zilles

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO INSTITUTO DE ELETROTÉCNICA E ENERGIA LABORATÓRIO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS



Célula solar fotovoltaica

Conversão da energia solar

LABORATÓRIO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS - INSTITUTO DE ELETROTÉCNICA E ENERGIA - UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO



INTRODUÇÃO

Fundamentos básicos da energia solar

Espectro da radiação solar = 0,2 a 3,0 µm

Comprimentos de onda

• Ultravioleta (UV) – 0,2 a 0,38 µm

• Luz visível – 0,38 µm (violeta) a 0,7 µm (vermelho)

• Infravermelho – 0,7 µm a 3,0 µm

Constante Solar = densidade média do fluxo da radiação solar = 1367 W/m2



Dia Claro

0

200

400

600

800

1000

7:1

9

7:4

4

8:0

9

8:3

4

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0

9:2

5

9:5

0

10:1

5

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1

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6

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6

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7

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7

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2

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8

14:5

3

15:1

8

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3

16:0

9

16:3

4

16:5

9

17:2

4

horário

irra

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nc

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W/m

2)

Dia com nuvens no período da tarde

0

200

400

600

800

1000

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7

13:3

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13:5

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2

14:4

7

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2

15:3

7

16:0

2

16:2

7

16:5

2

17:1

7

horário

irra

diâ

nc

ia (

W/m

2)

Dia com muitas nuvens

0

200

400

600

800

1000

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3

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8

8:1

4

8:3

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9:0

4

9:2

9

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5

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0

10:4

5

11:1

0

11:3

5

12:0

1

12:2

6

12:5

1

13:1

6

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7

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W/m

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Dia Nublado

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800

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2

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6

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6

10:4

1

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6

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11:5

6

12:2

1

12:4

6

13:1

1

13:3

6

14:0

1

14:2

6

14:5

1

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6

15:4

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16:0

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16:3

1

16:5

6

17:2

1

horário

irra

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nc

ia (

W/m

2)

Dia Claro

0

200

400

600

800

1000

7:1

9

7:4

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8:0

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W/m

2)


0

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400

600

800

1000

7:1

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7:4

3

8:0

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8:3

3

8:5

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3

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8

10:1

3

10:3

8

11:0

3

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8

11:5

2

12:1

7

12:4

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13:0

7

13:3

2

13:5

7

14:2

2

14:4

7

15:1

2

15:3

7

16:0

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16:2

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16:5

2

17:1

7

horário

irra

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nc

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W/m

2)


0

200

400

600

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9

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10:4

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0

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6

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14:5

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3

15:4

8

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3

16:3

8

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4

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9

horário

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diâ

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W/m

2)

Dia Nublado

0

200

400

600

800

1000

7:2

2

7:4

7

8:1

2

8:3

6

9:0

1

9:2

6

9:5

1

10:1

6

10:4

1

11:0

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11:3

1

11:5

6

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15:1

6

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1

16:0

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6

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1

horário

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nc

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W/m

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Dia Claro

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200

400

600

800

1000

7:1

9

7:4

4

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9

8:3

4

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0

9:2

5

9:5

0

10:1

5

10:4

1

11:0

6

11:3

1

11:5

6

12:2

1

12:4

7

13:1

2

13:3

7

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2

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8

14:5

3

15:1

8

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3

16:0

9

16:3

4

16:5

9

17:2

4

horário

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diâ

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ia (

W/m

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0

200

400

600

800

1000

7:1

8

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3

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8

8:3

3

8:5

8

9:2

3

9:4

8

10:1

3

10:3

8

11:0

3

11:2

8

11:5

2

12:1

7

12:4

2

13:0

7

13:3

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13:5

7

14:2

2

14:4

7

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2

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16:0

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7

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2

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7

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nc

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W/m

2)


0

200

400

600

800

1000

7:2

3

7:4

8

8:1

4

8:3

9

9:0

4

9:2

9

9:5

5

10:2

0

10:4

5

11:1

0

11:3

5

12:0

1

12:2

6

12:5

1

13:1

6

13:4

2

14:0

7

14:3

2

14:5

7

15:2

3

15:4

8

16:1

3

16:3

8

17:0

4

17:2

9

horário

irra

diâ

nc

ia (

W/m

2)

Dia Nublado

0

200

400

600

800

1000

7:2

2

7:4

7

8:1

2

8:3

6

9:0

1

9:2

6

9:5

1

10:1

6

10:4

1

11:0

6

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1

11:5

6

12:2

1

12:4

6

13:1

1

13:3

6

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1

14:2

6

14:5

1

15:1

6

15:4

1

16:0

6

16:3

1

16:5

6

17:2

1

horário

irra

diâ

nc

ia (

W/m

2)



7:03 12:03 17:03

Hora do dia

0

200

400

600

800

1000Irradiância (W/m2)

dia nublado, 1.8 kWh/m2

dia sem nuvens, 6.0 kWh/m2

COMPORTAMENTO DIÁRIO DA RADIAÇÃO SOLAR



Ligação

quebrada

INSTANTE 1:

Absorção de

um fóton

INSTANTE 2:

Geração de

um par

elétron-lacuna

INSTANTE 3:

Movimento da

lacuna devido ao

“salto” de um

elétron

INSTANTE 4:

Separação de elétron e lacuna

pelo campo elétrico interno,

formação da corrente elétrica

FÍSICA DA CONVERSÃO FOTOVOLTAICA



Como funciona uma célula fotovoltaica?

100 mm 100 mm

Tensão:

Circuito aberto = 0,6 V

Ponto de máxima potência = 0,45 V

Corrente de máxima potência = 3 A

Potência máxima = 1,35 Wp



Conversão direta da luz solar em eletricidade – Energia solar Fotovoltaica

Célula

Módulo Fotovoltaico




202 287 401 560 764 1256 1819 25364279

7911

12464

27213

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Pro

du

ção

(M

Wp

)

19992000

20012002

20032004

20052006

20072008

20092010

ano

42% 40% 39%

34% 68% 45%

Produção mundial de módulos fotovoltaicos 1999 - 2010

40%

69%

85%

Photon International, 3, 2010; Cell production survey 2010. March 2011

58%


118%



Diagrama esquemático de um sistema fotovoltaico autônomo



No Brasil

Aproximadamente 30 MW em sistemas isolados

SIGFI 13, Projeto LSF-IEE, Mamirauá, AM


Bombeamento, Projeto LSF-IEE, ITESP, Presidente Bernardes, SP Bomba e acondicionamento de potência de fabricação nacional



Aplicações Comunitárias



100 Wp

50 Wp

5 kWh/mês 10 kWh/mês

Domicílios



Bombeamento



IEA PVPS Task 1, 2010: Trends in photovoltaic applications: Survey report of selected IEA countries between 1992 and 2009, Report IEA-PVPS T1-10-2010.

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

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2009

ano

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10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

Potê

ncia

Insta

lada (

MW

p)

Conectados à rede

Sistemas isolados

95,9%

94,8%

91,6%

89,8%

87,0%




Sistemas fotovoltaicos conectados à rede, o que são?

1 MWp, Toledo - Espanha

1 MWp, Primera central – California




4 MW em Jaén, Espanha

Sistemas fotovoltaicos conectados à rede – Centrais solares




20 MW em Beneixama (Espanha)





42 MW em Moura, Portugal





Edificações


Sistemas fotovoltaicos conectados à rede – Telhados Fotovoltaicos



Fotos : Informe ASIF

Sistemas fotovoltaicos conectados à rede – Edificações fotovoltaicas




Telhas




Estacionamento ELETROSUL, 12 kWp

Sombreado




3 kWp, IEE-USP



12 kW, IEE-USP

O PRÉDIO DA ADMINISTRAÇÃO DO IEE-USP



Gerador

Fotovoltaico

Inversor

DC/AC

Rede

elétrica de

distribuição

Carga da

Edificação

kWh

Contador de

Energia

kWh

Energia

Fotovoltaica

Ponto de

fornecimento

INTERAÇÃO COM A REDE ELÉTRICA



INTERAÇÃO COM A REDE ELÉTRICA



OBRIGADO PELA ATENÇÃO

Roberto Zilles

[email protected]

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