Células fotovoltaicas

Sendo a menor componente do sistema, a célula fotovoltaica é implementada normalmente em dimensões de 12,5cm², 15cm² e até 20cm². Existe um leque bem definido de materiais usualmente utilizados na produção destas células, dentre eles o chamado filme fino e o silício cristalino, que agrega 80% da produção total dentre os países produtores atualmente.

A implementação de células fotovoltaicas com silício cristalino pode ser desdobrada ainda em três tipos: silício monocristalino (sc-Si), silício policristalino (mc- Si) e semicondutores compostos. A representação dos diferentes tipos de materiais é apresentada de forma mais visual na Figura 2.10 a seguir e suas definições feitas logo após.

Silício monocristalino

Material composto por pequenos cristais de silício com uma estrutura regular. Produzido por método de crescimento monocristalino e possui eficiência comercial entre 15% e 20%.

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Silício policristalino

Normalmente produzido por um processo de solidificação bidirecional. Sua popularidade vem crescendo à medida que seu custo de produção é menor que o de outras células. Porém sua eficiência também é menor e varia em torno de 14%.

FIGURA 2.10 - CLASSIFICAÇÃO DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

Semicondutores compostos

São formados por materiais como o arsenieto de gálio (GaAs) imersos em um substrato de germânio (Ge) e possuem, por sua vez, uma alta eficiência de conversão na casa de 35%. Devido ao seu custo razoavelmente maior, células formadas por semicondutores compostos são normalmente utilizadas em sistemas com rastreamento embutido para que a eficiência seja ainda maior, como veremos mais adiante.

Filme fino

As células de filme fino, por sua vez, são formadas através do depósito de camadas extremamente finas de materiais semicondutores fotovoltaicos num suporte de vidro, aço inoxidável ou, até mesmo, plástico. A vantagem da utilização de filmes finos se encontra no seu custo de produção relativamente inferior ao custo das células cristalinas. Já sua desvantagem reside na sua eficiência que varia entre 7% e 13%, fazendo que a área de painéis necessária para uma determinada potência gerada se torne maior que a de módulos de silício cristalino. Tipos muito comuns de células de semicondutores compostos são as produzidas com silício amorfo ou telureto de cádmio.

Células Fotovoltaicas Silício Cristalino Silício Monocristalino Silício Policristalino Semicondutores Compostos Filme Fino

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2.3.2. Módulos fotovoltaicos

São conjuntos de células fotovoltaicas tipicamente classificadas com potência ativa que varie entre 50W e 300W. Dessa forma, temos os módulos de silício cristalino e os de filme fino obedecendo à classificação das células.

Módulos de silício cristalino

Consistem simplesmente de células fotovoltaicas de silício cristalino conectadas e englobadas por uma face transparente de material como o vidro e de outra face de suporte normalmente plástico.

Módulos de filme fino

É um encapsulamento de células fotovoltaicas produzidas em um único substrato em um módulo flexível ou fixo.

Por sua vez um array fotovoltaico é literalmente um conjunto de módulos conectados em série e casados em paralelo a fim de produzir a potência requerida.

2.3.3. Estrutura de suporte

Atualmente existe um portfólio muito grande de estruturas nas quais os módulos fotovoltaicos são instalados, incluindo as mais diferentes utilizações como fachadas, telhados inclinados ou planos. Para aplicações mais complexas existem também os sistemas de rastreamento de dois eixos que acompanham a direção de maior irradiância solar durante os diferentes períodos do dia. Esta aplicação normalmente é utilizada na geração fotovoltaica centralizada e a energia proveniente pode ser aumentada em até 30%.

2.3.4. Inversor

A função principal do inversor é converter a corrente proveniente dos módulos fotovoltaicos na forma de corrente contínua em corrente alternada dentro dos padrões da distribuidora. Graças ao avanço da eletrônica de potência, os inversores chegam a operar com uma eficiência de conversão variando aproximadamente entre 95% e 97%.

A instalação dos inversores pode ser feita de diferentes formas. Uma delas é conectar o inversor diretamente ao array de forma que ele incorpore um regime de rastreamento do ponto máximo de potência, que continuamente ajusta a impedância

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para que o array fotovoltaico provenha a máxima potência. Outra forma é conectar cada inversor em uma string de módulos fotovoltaicos, de forma que esta integração de inversores chamada módulo AC pode ser diretamente conectada à rede.

A utilização do inversor no sistema fotovoltaico, além de necessário para a inserção da corrente de forma alternada na rede, impede o surgimento de transitórios quando do seu acionamento.

2.3.5. Medidor

Podendo ser uni ou bidirecional, os medidores constituem a peça mais importante de um sistema de compensação, ou de uma rede inteligente. Ele é o responsável por detectar a energia sendo consumida ou gerada por qualquer tipo de unidade consumidora.

Com estas medições, o sistema é capaz de fazer qualquer tipo de uso com relação à tarifação, compensação, estatísticas, tendências, ou seja, ele provê um monitoramento constante à rede o que a torna mais confiável. A operação do medidor tem de ser acompanhada com cautela, pois qualquer surto pode significar problemas na econômicos tanto para a distribuidora quanto para o cliente.

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3. Método e Materiais

No capítulo anterior, apresentou-se o conceito de geração distribuída, seus principais impactos e diferenças em relação ao sistema elétrico clássico, aspectos regulatórios e a motivação por trás desta tendência mundial. Além disso, foi discutida a estrutura básica de um sistema fotovoltaico conectado à rede, que é o tipo de geração distribuída considerada neste estudo, bem como de que forma funcionam os recursos de manobra quando operados na rede elétrica de distribuição.

Este último aspecto constitui a parte mais relevante deste estudo sobre geração distribuída. O objetivo a ser alcançado é a verificação da influência dos recursos de manobra na configuração da rede de distribuição e, consequentemente, nos limites de penetração de geração distribuída que devem ser impostos às unidades consumidoras. Em outras palavras, uma rede de distribuição radial pode ser operada em várias configurações conforme a utilização de seus recursos de manobra. Cada uma dessas configurações impõe uma distribuição diferente das cargas do circuito e pretende-se verificar se isso implica em diferentes limites de penetração de potência advinda de geradores distribuídos.

O estudo em questão visa fazer esta análise num alimentador real da CEB. Para tanto, é utilizado um método de cálculo iterativo para as simulações em que variáveis do circuito em questão são inseridas e, como resposta, tem-se a máxima quantidade de potência que poderá ser injetada neste circuito via geração distribuída. Desse ponto é possível chegar ao objetivo específico do trabalho de determinar a área de painel fotovoltaico máxima a ser instalada nas residências que a rede é capaz de suportar.

3.1. Método

Para a apresentação do método a ser adotado nas simulações, cabe antes avaliar as variáveis que guiarão os resultados do estudo, bem como o porquê da não utilização de outras especificamente para este trabalho.