Avaliação do Desempenho Energético de Sistemas
Fotovoltaicos em Edifícios de Serviços
Dissertação de Mestrado em Engenharia de Energias
João Miguel Ribeiro dos Santos Lourenço
Orientador: Sérgio Augusto Pires Leitão
Coorientador: Eurico Vasco Ferreira Amorim
Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Avaliação do Desempenho Energético de Sistemas
Fotovoltaicos em Edifícios de Serviços
Dissertação de Mestrado em Engenharia de Energias
João Miguel Ribeiro dos Santos Lourenço
Orientador: Sérgio Augusto Pires Leitão
Coorientador: Eurico Vasco Ferreira Amorim
Composição do Júri:
Presidente: Professora Doutora Margarida L. R. Liberato
Arguente: Professor Doutor João Galvão
Orientador: Professor Doutor Sérgio Leitão
I
Agradecimentos
Aos meus amigos, cujas distrações, incentivos e todos os outros momentos inesquecíveis destes últimos anos ajudaram a ser o engenheiro que sou hoje, em especial um agradecimento ao Bifásico, Granero, Manixa, Paulinho, Pisso, Rochinha e Tolinhas. Ainda um forte abraço aos meus amigos da velha escola, Luisão, Mortágua, Neves, Nuno, Rúben, Vera e Xico que cedo nos separamos mas a amizade perdurou.
Os meus agradecimentos ao meu orientador Professor Doutor Sérgio Leitão pelo auxílio na elaboração deste trabalho, por todo o tempo disponibilizado e pelo conhecimento transmitido bem como ao Professor Doutor Vasco Amorim por todo o incentivo e esforço perante as adversidades durante estes últimos anos em dar ao nosso curso o merecido valor. Agradeço ainda à PetroEuropa-Combustíveis e Lubrificantes Lda. pela informação fornecida, sem a qual esta dissertação não seria possível.
Agradeço a minha Avó e às minhas tias Adília e Elza, que sempre estiveram presentes e demonstraram preocupação com a dissertação, dando-me apoio e força para concluir esta etapa. A todos eles agradeço os momentos em que me ajudaram a desanuviar e a lembrar-me que eu era capaz. Às pessoas mais importantes da minha vida, os meus Pais e a minha irmã, pelo carinho e conselhos que me deram não só ao longo de todo este processo, como durante toda a minha vida. Por todas as oportunidades que me proporcionaram e pelo apoio constante, um grande obrigado.
Quero deixar ainda um agradecimento muito especial à minha namorada Isabel pela presença constante em todos os momentos, pela motivação extra e por toda a paciência. Sem a sua presença e carinho, sem dúvida, esta fase seria muito difícil de ultrapassar.
III
Resumo
Os sistemas fotovoltaicos produzem energia elétrica limpa, e inesgotável na nossa escala temporal. A Agência Internacional de Energia encara a tecnologia fotovoltaica como uma das mais promissoras, esperando nas suas previsões mais otimistas, que em 2050 possa representar 20% da produção elétrica mundial.
Até agosto de 2014 as renováveis mantêm-se como a principal fonte de eletricidade em Portugal, representando 67% do consumo em Portugal Continental. A solar fotovoltaica continua a aumentar a sua produção e representa 1,3% do consumo. Apesar do custo e ineficiência dos módulos fotovoltaicos ter vindo a diminuir, o rendimento dos sistemas contínua dependente de fatores externos sujeitos a grande variabilidade, como a temperatura e a irradiância, e às limitações tecnológicas e falta de sinergia dos seus equipamentos constituintes.
Neste sentido procurou-se como objetivo na elaboração desta dissertação, simular um sistema fotovoltaico de um dado local em Vila Real com determinados parâmetros em diferentes simuladores. Para o efeito, em primeiro lugar foram identificados os principais fatores que condicionam o desempenho destes sistemas. Em segundo lugar, e como caso prático de estudo, procedeu-se à simulação utilizando diferentes softwares de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos e em seguida realizou-se a comparação dos dados obtidos com os dados reais de energia produzida pelo sistema fotovoltaico instalado na empresa em questão.
Foram realizadas simulações utilizando software de dimensionamento de sistemas fotovoltaicos e conclui-se que em alguns deles obtém-se resultados para a energia produzida mensalmente significativamente diferente daquela que é realmente produzida pelo sistema fotovoltaico instalado.
V
Abstract
Photovoltaic systems produce clean and inexhaustible electric energy at our human scale. The International Energy Agency sees photovoltaic technology as one of the most promising,expecting in their optimistic forecasts that it can represent 20% of the worldwide production by 2050.
Until August 2014 renewables remain as the main source of electricity in Portugal, representing 67% of consumption in Portugal. Photovoltaic solar continues to increase its production and represents 1.3% of consumption. Despite the cost and inefficiency of photovoltaic modules have been declining, the income of continuous systems dependent on external factors subject to great variability, such as temperature and irradiance, and technological limitations and lack of synergy of its constituents equipment.
With this in mind, the elaboration of this thesis simulate a photovoltaic system in a given location in Vila Real with certain parameters on several simulators. For this purpose, in the first place the main factors that influence the performance of these systems were identified. Secondly, and as a practical case study, proceeded to the simulation using different software for photovoltaic systems and then made a comparison between the results obtain and the real data of energy produced by the photovoltaic system installed on the company.
Simulations were performed using software for photovoltaic systems and was concluded that in some of them obtain results for the energy produced monthly significantly different from what is actually produced by the photovoltaic system installed.
VII
Índice
1 - Introdução ... 1
1.1 - Energias renováveis em Portugal ... 1
1.2 - Objetivos da Dissertação ... 5
1.3 - Estrutura da dissertação ... 5
2 – Energia solar ... 7
2.1 – Situação atual ... 7
2.2 - Radiação Solar ... 9
2.2.1 - Formas de radiação e sua distribuição ... 11
2.3 - Células Fotovoltaicas ... 14
2.3.1 - Contexto Histórico ... 14
2.3.2 - Efeito fotovoltaico ... 16
2.3.3 - Descrição da célula solar fotovoltaica ... 18
2.3.4- Tipos de células fotovoltaicas ... 19
2.4 - Modelo Matemático da Célula Fotovoltaica ... 26
2.4.1 - Modelo equivalente simplificado ... 26
2.4.2 - Estudo dos pontos de funcionamento de uma célula FV ... 27
2.4.3 - Potência Elétrica de uma célula FV ... 29
2.4.4 - Modelo equivalente detalhado ... 31
2.4.5 - Modelo de dois díodos ... 31
2.5 - Sistemas e aplicações fotovoltaicas ... 32
2.5.1 - Sistemas autónomos ... 32
2.5.2 - Sistemas ligados à rede ... 34
2.5.3 - Impacto Ambiental ... 36
3 - Softwares de simulação – Caso de estudo ... 39
3.1 - Introdução... 39
3.2 - Apresentação do caso estudado ... 41
3.3 - Simuladores e resultados ... 43
3.3.1 – PVSyst ... 43
3.3.2 - Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) ... 45
3.3.3 - System Advisor Model (SAM) ... 47
3.3.4 - PV*SOL ... 48
3.3.6 - RETScreen ... 51 3.4 - Análise comparativa e discussão dos resultados obtidos nos softwares usados . 52 4 - Conclusões e perspetivas de trabalho futuro ... 55 4.1 – Conclusões ... 55 4.2 - Perspetivas de trabalho futuro ... 56
IX
Lista de Figuras
Figura 1 - Distribuição da potência instalada por tecnologia em Portugal (DGGE) ... 4
Figura 2 - A eletricidade de origem renovável em Portugal Continental – Agosto de 2014 (APREN 2014)... 8
Figura 3 - Radiação global anual em Portugal (GREENPRO 2004a) ... 11
Figura 4 - Radiação global anual na Europa (GREENPRO 2004a) ... 11
Figura 5 - Distribuição da radiação solar (Renováveis 2008) ... 12
Figura 6 - Ângulo de incidência da radiação solar sobre um painel virado a sul (Peixoto 1981) ... 13
Figura 7 - Ângulo de incidência da radiação solar sobre um painel em qualquer posição (Peixoto 1981) ... 13
Figura 8 - Alexander Edmond Becquerel (Petit) ... 14
Figura 9 - Princípio de funcionamento de uma célula fotovoltaica (Cairo 2008) ... 16
Figura 10 - Característico I-V de um díodo de silício (Renováveis 2004) ... 17
Figura 11 - Desenvolvimento de um painel fotovoltaico (PT) ... 18
Figura 12 - Tipos de células fotovoltaicas ... 20
Figura 13 - Painéis solares com diferentes células de 1ª geração (Renovavéis 2013) ... 21
Figura 14 - Células de 2ª geração (Educational 2012) ... 23
Figura 15 - Célula híbrida HCI (Educational 2012) ... 24
Figura 16 - Exemplo painel fotovoltaico constituído com arsenieto de gálio ... 25
Figura 17 - Circuito elétrico equivalente de uma célula FV... 26
Figura 18 - Curva característica típica de uma célula solar PV (Santos 2010) ... 27
Figura 19 - Curva característica típica Potência-Tensão de uma célula FV (Santos 2010) ... 29
Figura 20 - Circuito elétrico equivalente detalhado de uma célula fotovoltaica (Santos 2010) ... 31
Figura 21 - Circuito elétrico equivalente da célula FV, modelo de dois díodos ... 32
Figura 22 - Princípio de um sistema autónomo (Brigansol) ... 33
Figura 23 - Princípio de funcionamento de um sistema com ligação à rede (Solar 2014) ... 35
Figura 24 - Imagem de satélite do local da instalação fotovoltaica ... 41
Figura 25 - Linha do horizonte ... 43
Figura 26 - Produções Normalizadas: Potência nominal de 3690 Wp ... 44
Figura 27 - Produção de energia FV mensal ... 46
Figura 28 - Produção de energia mensal obtida no SAM ... 47
Figura 29 - Temperatura prevista para o módulo usando o PV*SOL ... 48
Figura 30 - Produção de energia estimada pelo sistema fotovoltaico usando PV*SOL distribuída pelos meses do ano. ... 49
Figura 31 - Produção de energia do sistema em corrente contínua (DC) ... 50
XI
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Produção de energia elétrica por região (DGGE) ... 3
Tabela 2 - Detalhes elétricos e mecânicos do modelo Trina Solar 205 - DC80-08 ... 42
Tabela 3 - Balanço e principais resultados ... 44
Tabela 4 - Produção de eletricidade e irradiação ... 45
Tabela 5 - Energia mensal do sistema ... 47
Tabela 6 - Energia injetada na rede e radiação prevista pelo PV*SOL ... 49
Tabela 7 - Resultados simulador Polysun ... 51
Tabela 8 - Informação obtida do sistema RETScreen ... 52
Tabela 9 - Informação mensal da radiação solar e eletricidade exportada para a rede ... 52
Tabela 10 - Produção de energia mensal ... 53
Tabela 11 - Produção total de energia elétrica dos nove meses ... 53
XIII
Lista de símbolos e acrónimos
a-Si Silício amorfo BTN Baixa Tensão Normal CdTe Telureto de cádmio 𝐶𝑂2 Dióxido de Carbono
CulnSe2 Disseleneto de cobre índio e gálio FF Fator de forma
GaAs Arsenieto de gálio GWh Gigawatt-hora
h Horas
HCI Heterojunção com uma Camada fina Intrínseca
FV Fotovoltaica
I Corrente
𝐼0 Corrente Inversa máxima de saturação do díodo 𝐼𝐵 Radiação incidente 𝐼𝐵𝐶 Radiação direta 𝐼𝑐𝑐 Corrente de curto-circuito 𝐼𝑑 Corrente unidirecional 𝐼𝐷𝐻 Radiação difusa K Constante de Boltzmann kg Quilograma kW Quilowatt kVA Quilovolt-ampere
m Fator de idealidade do díodo 𝑀𝑊𝑝𝑖𝑐𝑜 Megawatts
P Potência elétrica
PME Pequenas e Médias Empresas q Carga elétrica do eletrão 𝑅𝑠 Resistência em série
T Temperatura absoluta da célula em Kelvin TWh Terawatt-hora
V Tensão
V Tensão aos terminais da célula 𝑉𝑇 Tensão equivalente da temperatura
1
1 - Introdução
Desde o tempo do Homo sapiens que a criação de energia era necessária para a sobrevivência do mesmo, com recurso a energia térmica era possível criar calor, sistemas de iluminação e ser usada mesmo para afastar possíveis predadores. Com o evoluir do Homem, era exigido à energia mais utilizações e alternativas de a criar. Tanto no setor industrial como no mais básico processo era necessária energia o que provocou um aumento exponencial na procura de energia nas últimas décadas. Tanta procura de energia a um preço mais reduzido possível levou à escassez dos combustíveis fósseis abrindo uma janela de oportunidade às energias renováveis, que inicialmente obrigava a um investimento elevado e infraestruturas apropriadas mas que iria trazer inúmeras vantagens como a redução de libertação de dióxido de carbono para a atmosfera e serem consideradas mesmo como inesgotáveis. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia.
Com a conceção do efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, onde se verificou o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz (Energia). Com o aproveitamento da luz direta solar foi possível criar energia elétrica tornando-se uma das energias mais promissoras pois tem como fonte de calor o sol, abundante na escala terrestre. Com as células fotovoltaicas a conquistar o papel principal no processo de conversão, foram rapidamente evoluídas devido ao grande impulsionador: a corrida espacial. Estas células continuam a manter-se como o meio mais adequado para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de permanência no espaço e a solução de energia para satélites (Energia). Os sistemas fotovoltaicos contribuíram para diminuir a pegada ecológica deixada pelo uso excessivo dos combustíveis fósseis. Com um tempo de vida dos painéis elevado (cerca de 25 anos), expansão à medida das necessidades e a já referida ausência de poluição tornam estes sistemas ideais para países com consciência ambiental no setor energético, além de estimularem a aplicação em zonas urbanas em paralelo com a rede elétrica convencional.
1.1 - Energias renováveis em Portugal
Devido aos vários incentivos relativamente à produção de energia através de fontes de energias renováveis, em 2010, Portugal foi o terceiro país da União Europeia com maior incorporação de energias renováveis. No final de 2012, Portugal Continental tinha 10836 MW de capacidade
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instalada para produção de energia elétrica a partir de fontes de energia renováveis. A energia hídrica é a fonte que mais contribuiu para este valor, apesar da energia eólica também ter um peso considerável, com 4450 MW de potência instalada no final de 2012, distribuída por 223 parques, com um total de 2408 aerogeradores espalhados pelo território continental, em
offshore. Cerca de 36% da potência eólica instalada encontra-se em parques com potência igual
ou inferior a 25 MW. No ano de 2012, a energia produzida a partir das fontes de energia renovável sofreu uma redução de 17% (de 24,1 TWh para 19,9 TWh), comparativamente ao ano anterior. Esta redução foi devida, principalmente, ao decréscimo de 46% da produção hídrica neste período. A incorporação das fontes renováveis evolui cerca de 43,3% em 2011 para 45,7% em 2012, no consumo final de energia elétrica em Portugal Continental.
A produção de energia elétrica, a partir de fontes de energia renováveis, registou no ano de 2013, um aumento de 51% relativamente a 2012. Este comportamento deve-se fundamentalmente à componente hídrica, que cresceu 126%. No final de dezembro de 2013, Portugal Continental tinha 11 066 MW de capacidade instalada para produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis. Através das estatísticas rápidas fornecidas pela Direção Geral da Energia e Geologia, no mês de Março do corrente ano, o peso da energia elétrica renovável atingiu 62,3% relativamente à produção bruta + saldo importador. No mesmo período, a produção de energia elétrica renovável, caiu 1,3% relativamente ao ano-móvel do mês anterior, sendo a energia eólica a principal responsável pela queda (3%). Enquanto que, em março de 2014 verificou-se um aumento de 11 MW na potência instalada fotovoltaica, no mês de Abril do mesmo ano houve um aumento de 38 MW na potência instalada eólica. No ano-móvel (período que comporta doze meses, independente do mês de início) terminado em abril de 2014, o peso da energia elétrica renovável atingiu 61,3% relativamente à produção bruta + saldo importador. De 2005 até março de 2014 a tecnologia com maior crescimento em potência instalada foi a eólica (3,7 GW). No entanto em termos relativos a tecnologia que mais cresceu foi a fotovoltaica, tendo evoluído de uma potência instalada residual, para 321 MW (DGGE).
Na Figura 1 é possível observar a distribuição da potência instalada por tecnologia em Portugal dos diferentes tipos de energias renováveis. Como se pode verificar foi no Alentejo e principalmente na Madeira a maior aposta na energia fotovoltaica, enquanto no norte e centro a aposta é claramente na energia hídrica e eólica. Em relação à produção de energia elétrica através de aplicações fotovoltaicas, na Tabela 1, é possível visualizar desde o ano 2005 até ao
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ano corrente essa mesma produção. Em relação a Portugal continental, Alentejo é o grande produtor em destaque produzindo quase metade 43% com cerca de 216 GWh da energia elétrica seguido pelo Centro mas com uma produção muito inferior (de 76 GWh), isto para o ano de 2014. Quando comparado com o período homólogo de 2013, verifica-se uma redução de 1% no consumo global de combustíveis fósseis, enquanto que o consumo de produtos do petróleo aumentaram 3,1% e o consumo de gás natural e carvão tiveram uma redução de 5,6%. Embora o consumo de petróleo tenha aumentado, com esta redução de 1% no consumo global de combustíveis fósseis além de um decréscimo de 16,8% no consumo de gasóleo para aquecimento e 25,1% no fuel representa um passo gigante para as energias renováveis e na estratégia adotada pela União Europeia, Europa 2020. No Anexo A está presente uma tabela adaptada com os objetivos desta estratégia para Portugal, onde se salienta para esta dissertação a participação das energias renováveis no consumo final bruto de energia e da eficiência energética, os valores propostos foram atingidos e ultrapassados, ficando apenas atrás de países como Suécia, Finlândia, Áustria e Letónia (Eurostat 2014c).
4
5
1.2 - Objetivos da Dissertação
Um dos objetivos desta dissertação é a monitorização e quantificação de energia elétrica produzida por um sistema fotovoltaico (FV). Vai ser estudado o potencial de um sistema fotovoltaico bem como os parâmetros relevantes para o projeto do mesmo, desde os dados necessários como a radiação solar incidente, inclinação, a pressão atmosférica, humidade relativa, temperatura do ar ou mesmo os graus-dia para arrefecimento e aquecimento até aos equipamentos necessários como o inversor.
Simultaneamente, pretende-se fazer um ponto de situação do estado atual da tecnologia fotovoltaica e caracterizar os sistemas FV ligados à rede, identificando os equipamentos utilizados pelos mesmos e as suas condições técnicas de funcionamento.
Serão ainda realizadas várias simulações em diferentes softwares com capacidade de projetar e analisar sistemas fotovoltaicos com o intuito de encontrar o software com maior precisão na previsão da produção de energia para injeção na rede, comparando com os valores reais fornecidos pela empresa em estudo. E por fim realizar-se-á um estudo económico comparativo entre os valores resultantes das simulações e os valores reais.
1.3 - Estrutura da dissertação
Para além deste capítulo introdutório a dissertação encontra-se organizada em mais três capítulos e 4 anexos.
No capítulo 2 é abordado os fundamentos que constituem a tecnologia solar fotovoltaica, é introduzido o princípio fotovoltaico, são apresentadas as curvas de corrente-tensão, e as principais condicionantes ao desempenho da célula e módulos FV: a irradiância e a temperatura de operação. Os modelos matemáticos também vão ser estudados, bem como as ligações possíveis dos sistemas fotovoltaicos.
No capítulo 3 são apresentados os softwares utilizados para estimar a produção de energia para injeção à rede de um sistema fotovoltaico, além dos resultados obtidos por cada software, vão ser apresentados os parâmetros necessários e relevantes para a realização das simulações. Por fim vai ser comparado os valores previstos da energia produzida pelo sistema em estudo para injeção na rede de cada programa com os dados reais para os meses em análise.
6
Por último, no capítulo 4, são apresentadas as conclusões do trabalho efetuado no âmbito desta dissertação bem como as perspetivas para futuros trabalhos, onde são referidas algumas das dificuldades na realização deste trabalho.
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2 – Energia solar
2.1 – Situação atual
A tecnologia solar é por excelência a melhor forma de produção energética renovável, pois na perspetiva do consumidor doméstico são de fácil manuseamento e simplicidade funcional, adequada para habitações e edifícios. Com a capacidade tecnológica de obter energia em qualquer edificado com recurso energético “grátis” e de forma eficiente juntamente com a ótima relação custo benefício aquando integrado nos sistemas de consumo elevam este tipo de energia renovável ao topo do rendimento. O consumidor tem a palavra final em relação ao desenvolvimento desta alternativa energética, pois apesar do crescimento global deste setor e a da favorável localização geográfica de Portugal para o aproveitamento deste recurso, se existir retração por parte do utilizador, seja por receios ambientais ou ao nível do investimento irá fazer sucumbir o setor solar em Portugal, o que acontece atualmente em Portugal (Monteiro 2014). Com o crescimento deste sector em Portugal mais de 5000 postos diretos de trabalho foram criados e dispersos em cerca de 500 pequenas e médias empresas (PME). A indefinição relativamente a política energética causa desmotivação e mesmo um bloqueio nos negócios por parte de investidores e das empresas. Ações como redução de tarifas, limitação de cotas e introdução de fiscalização confusa vieram limitar este sector e não serem consideradas ações de desenvolvimento. Numa política de tarifa feed-in apropriada, o sobrecusto a pagar vai viabilizar o uso da tecnologia oferecendo assim garantia de tarifa no momento do investimento para um período futuro correspondente ao tempo de retorno desse investimento (Monteiro 2014).
O custo da tecnologia fotovoltaica desenvolvida pela Europa na última década reagiu à introdução dos painéis solares chineses, protegidos pela política de protecionismo adotada pela Europa e apoiada por Portugal. Com este advento o preço da tecnologia desenvolvida pela Europa atinge valores altos e provoca uma inviabilidade no setor. Outra dificuldade a surgir é inexistência de um enquadramento legal para o netmetering em que o consumidor terá a hipótese de reduzir o seu consumo elétrico por recurso à auto-produção. Acontece é que os agentes do setor elétrico tomaram uma posição contraditória e as medidas foram executadas para tornar o processo de autoconsumo complexo e inviável devido à tendência do aumento dos preços da tecnologia. Com o recurso ao netmetering o consumidor final tem como objetivo ter a possibilidade de reduzir consumo sem deixar de pagar o custo da potência de ligação à rede
8
que já pagava. O futuro solar está dependente da capacidade dos consumidores para exigirem políticas energéticas orientadas para os seus interesses. Neste momento a política energética serve os interesses de quem explora o sistema e não de quem paga o sistema (os consumidores). Em abril deste ano a Eurostat colocou Portugal na quarta posição do ranking dos países com maior percentagem de eletricidade criada a partir de energias renováveis no ano de 2012, sendo ultrapassado apenas pela Suécia, Áustria e Noruega (Eurostat 2014a). Este facto prova o quanto Portugal tem capacidade de explorar e ser umas das maiores potências na Europa de produção de energia através de energias renováveis, o grande problema além da atual legislação é o setor dos transportes pois atualmente Portugal é dependente dos combustíveis fósseis possuindo apenas cerca de 0.5% de combustível obtido a partir de energias renováveis em 2012 (Eurostat 2014b).
Mais recentemente, a APREN (Associação de Energias Renováveis) colocou no mês de Agosto, pela primeira vez este ano, a produção de eletricidade de origem renovável em regime especial (PRE Renovável - toda a renovável exceto a grande Hídrica) apresenta-se como a principal fonte de produção de eletricidade, contabilizando 34% do consumo. A grande Hídrica ocupa agora o segundo lugar, contribuindo com 33% do consumo como visível na Figura 2. Como já referido anteriormente, a energia solar fotovoltaica continua a aumentar a sua produção e representa 1,3% do consumo de energia (APREN 2014).
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2.2 - Radiação Solar
O sol é imprescindível para a existência e manutenção de seres vivos e da natureza no planeta: é a nossa fonte de energia. Caracteriza-se por ser um recurso constante e imensurável, podendo-se dizer que é praticamente inesgotável, fornecendo anualmente 10.000 vezes o consumo mundial de energia (avaliada em 1.5 × 1018kWh) (DGGE). Esta estrela irradia para o espaço uma enorme quantidade de energia com uma distribuição espectral semelhante à de um corpo negro à temperatura de 6000 K. Propagando-se sob a forma de ondas eletromagnéticas, a uma velocidade de 3 × 1018 𝑚𝑠−1, a radiação demora cerca de 8 minutos a atingir a atmosfera terrestre (McVeigh 1977, Peixoto 1981). Sem a necessidade de material de suporte ou contato com o corpo radiante, esta forma de propagação pode movimentar-se no espaço desprovida de matéria. A energia é caraterizada pelo comprimento de onda, cerca de 99% desta energia solar possui comprimento de onda compreendido entre 0.150 e 4.0 micrómetros localizado na região do espectro que abrange o visível (0.430 𝜇𝑚 < 𝜆 < 0.760 𝜇𝑚), bem como grande parte do infravermelho (𝜆 > 0.760 𝜇𝑚) e do ultravioleta (𝜆 < 0.430 𝜇𝑚) (Peixoto 1981).
Quando o sol se localiza verticalmente, acima de uma determinada localização, a radiação efetua o caminho mais curto através da atmosfera. Por outro lado, quando o Sol se encontra num ângulo mais baixo a radiação percorre um caminho mais longo, sofrendo a radiação solar uma maior absorção e difusão, estando assim, disponível uma menor intensidade de radiação. Ao passar pela atmosfera terrestre a intensidade da radiação é reduzida devido a:
Reflexão causada pela atmosfera;
Absorção através de moléculas na atmosfera;
Dispersão de Rayleigh (dispersão da luz por partículas de pequena dimensão); Dispersão Mie (dispersão por partículas esféricas).
O movimento da Terra em torno do Sol descreve uma trajetória elíptica com inclinação aproximadamente de 23,5º em relação ao plano equatorial. Devido à inclinação, cada hemisfério recebe diferentes quantidades de energia, que associadas à translação da terra determinam as estações do ano: Primavera, Verão, Outono e Inverno. Os movimentos efetuados pela Terra são o de rotação e o de translação. A rotação é o movimento que a Terra faz em torno do seu eixo e a translação é o movimento que a Terra realiza em torno do sol. Devido ao formato e movimento da Terra, o aproveitamento da energia solar fotovoltaica está diretamente
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dependente da orientação e inclinação dos painéis. Estes fatores devem ser analisados para cada localização. Uma vez que a produção de energia depende da radiação solar que incide nos painéis, estes deverão estar orientados de forma a receberem a maior exposição solar possível ao longo do ano. No caso da inclinação, depende da sua aplicação. Para sistemas isolados é necessário maximizar a produção de energia em alturas de menor radiação, necessitando de um ângulo de inclinação maior. Para sistemas ligados à rede, em que o objetivo é maximizar a produção anual de energia, é necessário de um ângulo menor (CRESESB 2014). Com os avanços na indústria eletrónica devido em grande parte ao contributo da energia fotovoltaica, a potência fotovoltaica, em 1983, ultrapassou os 9,3 MW. A década de 90 é marcada pelo aparecimento das células de película fina. O mercado fotovoltaico é um dos mais dinâmicos no panorama energético. Desde 2000 que a produção total da energia fotovoltaica mundial aumentou mais de 30 vezes com taxas de crescimentos anuais entre os 40% a 50 %. Nos últimos 5 anos a produção fotovoltaica mundial teve um crescimento bastante significativo, devido a um forte investimento desenvolvido nas áreas das energias renováveis e eficiência energética. China e Taiwan são um dos principais responsáveis por este acréscimo e, em conjunto, atualmente correspondem a 50% de toda a produção fotovoltaica mundial (Jäger-Waldau 2010). A análise da radiação anual ajuda a equacionar a conveniência das áreas existentes, tendo em conta o seu aproveitamento solar. Para a medição da radiação solar existem diversos aparelhos como: o piranómetro (mede a radiação global), o actonógrafo (mede e regista a radiação global) e o piroheliómetro (mede a radiação solar direta normal). Para medir o número de horas de insolação existe o heliógrafo. Estes aparelhos podem registar a radiação ao longo de um ano, e assim, fornecerem informação importante acerca da energia solar que chega à superfície, permitindo, a construção de mapas de radiação solar do planeta(GREENPRO 2004a). A Figura 3 revela a radiação anual incidente em Portugal, onde são visíveis os valores elevados de radiação no Sul do país enquanto no Centro e Norte os valores mais baixos. Mas confrontando estes valores com a Figura 4 onde é apresentada a radiação global para a Europa, verifica-se que Portugal é um dos países com maior radiação da Europa e consequentemente com maior potencial para a energia fotovoltaica.
11 2.2.1 - Formas de radiação e sua distribuição
A superfície terrestre recebe constantemente radiação solar, cuja distribuição é alterada à medida que passa através das nuvens, vapor de água, gases, poeiras e vegetação. Todos os processos físicos e químicos que ocorrem na Terra, responsáveis pelas condições meteorológicas, circulações oceânicas, transformação da crusta terrestre e todos os fenómenos biológicos são, em última análise, o resultado da energia solar. A radiação solar constitui uma fonte de energia limpa, abundante e inesgotável (à escala temporal humana) estando disponível em todo o planeta. Parte desta radiação pode ser captada e transformada em formas úteis de
Figura 3 - Radiação global anual em Portugal (GREENPRO 2004a)
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energia, tais como energia térmica e elétrica, com recurso a uma grande variedade de tecnologias (Hofierka 2002).
A radiação solar, após atravessar a atmosfera, atinge a superfície terrestre de três formas distintas:
Radiação direta - atinge diretamente a superfície terrestre;
Radiação difusa - desviada em diferentes direções pelos componentes da atmosfera; Radiação refletida - refletida pelo solo e objetos circundantes.
As três formas de radiação solar que atingem a superfície terrestre, a difusa, a refletida e direta encontram-se exemplificadas a verde, amarelo e vermelho, respetivamente na Figura 5. A restante radiação solar existente é absorvida ou refletida para fora da atmosfera pelos vários elementos da atmosfera.
Radiação Direta - Radiação que alcança a superfície diretamente desde o Sol. Nos dias luminosos, a componente da radiação direta prevalece, mas no entanto, na maioria dos dias cobertos de nuvens (especialmente no Inverno), a radiação solar é na sua maioria difusa. Em Portugal, a proporção da radiação solar difusa durante um ano, é cerca de 40% para 60% de radiação direta. Se o painel não estiver colocado perpendicularmente à direção dos raios incidentes, a radiação é dada em função do ângulo de incidência 𝜗, conforme a Figura 6.
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𝐼𝐵𝐶 = 𝐼𝐵∙ 𝑐𝑜𝑠𝜗 (2.1)
Sendo 𝐼𝐵𝐶 a radiação direta e 𝐼𝐵 a radiação incidente. Na Figura 7 é apresentado o ângulo de incidência, na qual é dado em função da orientação do painel e dos ângulos de altura 𝛽 e azimute solar 𝜙𝑠 como demonstra a expressão (2.2).
𝑐𝑜𝑠𝜗 − 𝑐𝑜𝑠𝛽 ∙ 𝑐𝑜𝑠(𝜙𝑠− 𝜙𝑐) ∙ 𝑠𝑒𝑛𝛼 + 𝑠𝑒𝑛𝛽 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼 = 0 (2.2)
Radiação Difusa - É recebida indiretamente, proveniente da ação das nuvens, nevoeiro, poeiras em suspensão e outros obstáculos na atmosfera. O cálculo desta radiação é bastante mais complexo, devido ao facto de ser mais difícil de estimar. Os modelos usados para a determinar consideram que esta depende da radiação solar direta. Considerando C o fator de difusão, a radiação difusa pode ser calculada pela expressão (2.3).
𝐼𝐷𝐻= 𝐶 ∙ 𝐼𝐵 (2.3)
Sendo 𝐼𝐷𝐻 a radiação difusa e 𝐼𝐵 a radiação incidente.
Radiação Refletida - A radiação solar proveniente de tudo o que rodeia uma instalação fotovoltaica é a radiação refletida, ou seja, é a radiação refletida pelo solo (albedo) e todos os outros objetos circundantes.
Figura 6 - Ângulo de incidência da radiação solar sobre um painel virado a sul (Peixoto 1981)
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2.3 - Células Fotovoltaicas
2.3.1 - Contexto Histórico
Em 1839, Alexander Edmond Becquerel (Figura 8), físico francês descobriu o efeito fotovoltaico. Mas só em 1883 por Charles Fritts, foi produzida a primeira célula fotovoltaica utilizando selénio, a característica de fotocondutividade deste material foi descoberta por Smith em 1983. A célula de selénio apresentava um rendimento inferior a 1%, mas com a evolução científica do início do século XX, e em 1905 a teoria de Albert Einstein sobre o efeito fotovoltaico, referia que a mecânica quântica com a teoria das bandas de energia, física dos condutores com os processos de purificação e dopagem aplicadas aos transmissores (Técnico). A primeira geração de células fotovoltaicas teve início em 1954 quando os laboratórios Bell, através de testes a materiais semicondutores, descobriram acidentalmente que o silício dopado era extremamente sensível à luz. Esta descoberta teve como resultado a produção da primeira célula com rendimento de 6%, o que levou os Estados Unidos da América em 1958 a adicionarem as primeiras células fotovoltaicas no seu satélite Explorer. Esta nova geração de energia viabilizou o desenvolvimento e o lançamento de satélites de posicionamento global e comunicações, resultando num grande investimento na investigação e aperfeiçoamento das células fotovoltaicas (Brito 2005).
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Até 1973, o mercado fotovoltaico terrestre foi insignificante face ao das aplicações especiais e só a partir de então, com a primeira crise energética mundial, é que foram realizados importantes esforços de investigação e desenvolvimento, sobretudo nos países mais industrializados. Visando o aperfeiçoamento das tecnologias conhecidas ou a descoberta de novos processos de fabrico de dispositivos fotovoltaicos para uso terrestre, com melhores rendimentos e menores custos, de forma a viabilizar a sua utilização fase aos sistemas electroprodutores convencionais (Paes 1990).
A indústria fotovoltaica tem crescido rapidamente mas de uma forma algo limitada, devido à escassez de fábricas do silício policristalino, nomeadamente entre 2004-2006. Em 2006 pela primeira vez mais de metade da produção mundial do silício policristalino foi para o mercado FV. Resultado desta iniciativa de 2006 foi o aumento da produção fotovoltaica Mundial em 2007 em mais de 50%. Em 2007, investigadores da Universidade de Delaware nos Estados Unidos, conseguiram bater o recorde de eficiência energética de uma célula fotovoltaica (silício), atingindo um rendimento de 42,8% de conversão sobre condições normais de iluminação (University 2007). O maior mercado fotovoltaico tem sido a Alemanha, em seguida Itália, sendo apenas na Europa encontram-se instalados aproximadamente 74% da produção mundial. A eficiência dos módulos FV comercializados varia entre 12-20%, sendo que os módulos monocristalinos tinham uma eficiência entre 14 e 20% e módulos FV policristalinos entre os 12 e 17%. Para o aumento significativo em 2010, muito contribuiu o mercado fotovoltaico Asiático e vários investimentos realizados nas áreas das energias renováveis e eficiência energética. Em termos de investimentos o ano de 2010 teve um aumento de 30% em relação ao ano de 2009, sendo o continente Europeu líder em investimentos realizados na área das energias renováveis. O recurso à energia solar fotovoltaica continua a aumentar mesmo perante a atual crise económica e financeira. A indústria FV como tem sido hábito ao longo dos últimos anos é o que apresenta taxas de crescimento mais rápido tanto na Europa como no resto do mundo, superando sempre as previsões ano após ano. A indústria fotovoltaica é atualmente a terceira maior fonte de energia renovável no que se refere a sistemas instalados, superado apenas pela energia hidráulica e eólica (Jäger-Waldau 2011).
16 2.3.2 - Efeito fotovoltaico
O efeito fotovoltaico consiste, na transformação de energia solar em energia elétrica, ou seja, na transformação de energia que proporcionam os fotões (partículas de luz) incidentes sobre os materiais semicondutores, em eletricidade. De entre os materiais mais utilizados destaca-se o silício, que produz uma corrente elétrica quando atingido pela radiação luminosa. Tudo começou com os átomos que absorvem os fotões (partículas de luz) e transferem a sua energia para os eletrões, que assim se libertam e através de um campo elétrico interno são conduzidos para os contactos, produzindo assim a corrente na célula fotovoltaica como esquematizado na Figura 9. Alguns materiais semicondutores exibem efeito fotoelétrico que consiste na absorção de fotões com consequente emissão de eletrões, base da corrente elétrica.
A junção funciona assim como um retificador ou díodo pois a aplicação de uma diferença de potencial, com o potencial positivo aplicado no material do tipo p, diminui a barreira de potencial e permite que a corrente atravesse a interface, enquanto a aplicação de uma diferença de potencial inversa aumenta a barreira de potencial e não permite a passagem e corrente. Como exemplo, a Figura 10 ilustra a curva característica de um díodo de silício.
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Quando o díodo é ligado a um circuito de modo a que o potencial seja positivo no ânodo dopado com impurezas do tipo p, e negativo no cátodo dopado com impurezas do tipo n, o díodo está diretamente polarizado. Neste caso aplica-se a curva característica do primeiro quadrante, em que, a partir de uma tensão definida (a tensão limiar de condução neste caso é 0.7 V), a corrente passa a fluir. Se o díodo for polarizado inversamente, a corrente é impedida de circular e neste caso, aplica-se a curva característica do terceiro quadrante. O díodo entra na região de rutura ou avalanche quando a tensão inversa ultrapassa um dado valor limiar (que poderá levar à sua destruição), específico para cada díodo, chamada tensão de rotura. Na região de rotura, a corrente inversa cresce rapidamente, sendo o correspondente aumento da queda de tensão muito pequeno (Cairo 2008). As células fotovoltaicas podem ser ligadas em série, constituindo um módulo que exibe normalmente aos seus terminais uma tensão contínua de 12 V. Por sua vez, os módulos podem ser ligados em série/paralelo para aumentar a potência do conjunto, constituindo o painel fotovoltaico como visível na Figura 11. O silício deteriora-se ao longo do tempo, sobretudo o silício amorfo, embora, os fabricantes garantam tempos de vida útil na ordem dos 20 anos para os painéis.
Desde as suas primeiras aplicações, na década de 50, estes sistemas têm evoluído bastante, o que tem proporcionado uma diminuição do seu custo de produção e uma inserção cada vez maior no mercado da energia. O custo da energia fornecida por estes sistemas é relativamente baixo (não considerando o investimento inicial), afirmando-se como uma potencial solução para os consumidores domésticos em regiões rurais isoladas (sem rede elétrica).
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2.3.3 - Descrição da célula solar fotovoltaica
Uma célula solar, unidade fundamental de um sistema fotovoltaico, é um dispositivo que converte diretamente uma radiação eletromagnética em corrente elétrica através do efeito fotovoltaico. Esta conversão é devido a processos que se desenvolvem a nível atómico nos materiais semicondutores, que consiste na emissão de um eletrão da banda de valência para a banda de condução quando um fotão incide na célula (António Luque 2003).
As células solares podem ser construídas com diferentes tipos de materiais semicondutores. Os mais utilizados são o silício (Si), o arsenieto de gálio (GaAs), o disseleneto de cobre índio e gálio (CulnSe2) e o telureto de cádmio (CdTe). Contudo o silício é ainda o material semicondutor mais utilizado no fabrico das células fotovoltaicas, por ser o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre. Os tipos mais comuns de silício utilizados na fabricação das células solares são: o silício monocristalino, policristalino e amorfo ou filme fino (thin-film) em que o filme é depositado através de processos de deposição de vapores. O Si devido às suas propriedades físicas e elétricas, e devido também a sua abundância na natureza têm ainda hoje um papel relevante na indústria eletrónica e microeletrónica. O silício na sua forma cristalina ou policristalina tem um hiato de energia indireto, que resulta num baixo coeficiente de absorção ótica numa importante zona do espectro solar, o que é uma desvantagem em termos de aplicações fotovoltaicas. Apesar disso, e pelas razões acima mencionadas, é o mais utilizado na indústria FV.
As células solares FV são constituídas por pelo menos duas camadas de material semicondutor. Os semicondutores são materiais de condutividade elétrica intermediária entre materiais
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metálicos e isolantes. A condutividade dos semiconductores depende da temperatura a que é submetido o material e são bastante sensíveis às impurezas na sua estrutura. Os materiais semicondutores podem ser classificados como:
Semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. À temperatura de zero graus absolutos (-273 °C) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (20 °C) já se torna um condutor pois o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos eletrões de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar um buraco) passando a existir alguns eletrões livres no semicondutor.
Semicondutor extrínseco é um semicondutor ao qual são adicionados impurezas (dopagem), e em que as propriedades elétricas são influenciadas pelo tipo e concentração das impurezas adicionadas (Uberlândia).
2.3.4- Tipos de células fotovoltaicas
Atualmente existem diferentes tecnologias e materiais que permitem visualizar o efeito fotovoltaico. Em termos de aplicações terrestres, dentre os dispositivos semicondutores utilizados para a produção de células fotovoltaicas distinguem-se em várias categorias consoante a estrutura do material e processo de fabrico. O mercado continua, no entanto, dominado pela tecnologia associada ao silício que representa cerca de 85% da produção, dividida de uma forma sensivelmente igual entre as tecnologias de silício monocristalino e a do silício policristalino, sendo os restantes 15% de tecnologias de películas finas que têm tido um grande desenvolvimento nos últimos anos. Divididas em células de 1ª, 2ª e 3ª geração (Figura 12), cada uma conta como alternativa às outras, sendo que as de 3ª geração atualmente englobam soluções inovadoras caracterizadas pela elevada eficiência de conversão da luz solar e baixo custo.
Existem instituições, agências governamentais ou mesmo empresas que estão focadas em desenvolver os materiais utilizados nas células e assim aumentar a sua produção e reduzir os seus custos. A pesquisa realizada pelo National Renewable Energy Laboratory (NREL) com uma teoria sequencial de mutação, é utilizada para compreender a natureza e as limitações dos materiais promissores das células solares que podem substituir as tecnologias atuais. Concentrando-se em alterar a composição de um elemento de cada vez, os investigadores
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podem examinar as mudanças nas propriedades óticas, elétricas e estruturais do material e determinar quais tecnologias podem ser ainda mais desenvolvidas e assim melhorar a sua eficiência(NREL 2014). Outro exemplo é o estudo realizado pelo centro universitário Massachusetts Institute of Technology (MIT), onde se focam nas mudanças na produção de metais ao longo do tempo, em vez de os valores absolutos. Esta abordagem permite uma avaliação de como rapidamente a produção de metais precisaria ser ampliada para atender aos crescentes níveis de implantação FV exigidos por cenários energéticos agressivos de baixo carbono (MIT 2014). Células PV 1ª Geração 3ª Geração Arsenieto de gálio Silício amorfo Silício monocristalino Silício muilticristalino
2ª Geração Cobre índio
Gálio selénico
Telureto de Cádmio
Figura 12 - Tipos de células fotovoltaicas
2.3.4.1 - Células de 1ª geração
Silício monocristalino - Representam a primeira geração da tecnologia fotovoltaica, atingindo cerca de 60% do mercado. As técnicas utilizadas na sua produção são complexas e caras. Por outro lado, é necessária uma grande quantidade de energia no seu fabrico, devido à exigência de utilizar materiais em estado muito puro e com uma estrutura de cristal perfeita. Estes aspetos fazem com que seja a tecnologia que apresenta a eficiência e custo mais elevados da atualidade. O rendimento máximo atingido em laboratório ronda os 24%, o qual em utilização prática se
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reduz para cerca de 15%. A produção de silício cristalino é cara, atingindo cerca de 60% do mercado (Alter , CRESESB , Shigue 2010).
Silício policristalino - Célula constituída por um número elevado de pequenos cristais da espessura milimétrica. Por este motivo os rendimentos desta tecnologia em laboratório e em utilização prática não excedem os 18% e 12%, respetivamente. Em contrapartida, o processo de fabricação é mais barato do que o do silício monocristalino. A utilização desta célula representa uma quota de mercado de cerca de 30%. As descontinuidades da estrutura molecular dificultam o movimento de eletrões e encorajam a recombinação com as lacunas, o que reduz a potência de saída (Alter , CRESESB , Shigue 2010). Na Figura 13 são apresentados exemplos dos dois tipos de células de 1ª geração.
Na área dos novos materiais, os desenvolvimentos são permanentes. O silício monocristalino começa cada vez mais a ser substituído. Uma das razões desta substituição é o custo da sua transformação, purificação que é tecnologicamente complexa. Há fabricantes que continuam a investir nesta tecnologia, embora utilizando técnicas de transformação mais baratas e menos refinados. Mas o futuro passa pela descoberta de novos materiais, mais baratos e mais eficientes. Materiais como telureto de cádmio e o gálio selénico de cobre são os novos concorrentes dos referidos anteriormente, considerada tecnologia de 1ª geração.
22 2.3.4.2 - Células de 2ª geração
Uma característica das células de película fina, que as diferencia das células cristalinas, é o tipo de interligação. Enquanto as células cristalinas estão soldadas de célula para célula (interligação externa), as células de película fina estão interligadas monoliticamente (interligação interna). As células são separadas eletricamente e interligadas em etapas estruturais, que têm lugar entre as fases de fabrico individual das camadas celulares. Isto cria finas ranhuras transparentes entre as células individuais. No intuito de atingir a maior produção energética possível, as ranhuras são tão finas quanto possível e dificilmente visíveis a olho nu. Contudo, podem ser utilizadas como um elemento de desenho e especificamente alargadas. Quanto maior é a ranhura entre as células, maior é a transparência. O efeito ótico semitransparente pode também ser criado, acrescentando ranhuras perpendiculares às tiras celulares. Estas células surgiram com o objetivo de diminuir os custos das células FV de 1ª geração e basicamente englobam as soluções de película fina. Devido à sua estrutura não cristalina as soluções de película fina apresentam eficiências de conversão mais baixas, requerendo uma área maior de células solares para atingir os mesmos valores de eficiência das células cristalinas. O processo de fabrico dos filmes finos é barato e tem como grande vantagem o peso e a versatilidade. Os filmes finos podem ser depositados em substratos de baixo custo como vidros, cerâmicos e alguns polímeros. A principal tecnologia nas ditas células de 2ª geração é a do silício amorfo que devido à sua versatilidade e flexibilidade é utilizado desde aplicações como integração em fachadas de edifícios ou cobertura de telhados até em calculadoras ou relógios. A eficiência de conversão obtida nas células a-Si é de 10.1%(S. Benagli 2009). As células de dissulfeto de cobre índio e gálio são compostos produzidos na forma de filmes finos. Estas são caracterizadas por serem constituídas por diferentes camadas da ordem dos micrómetros, possuindo hiatos energéticos distintos. A eficiência de conversão ronda atualmente os 19.6%. As células de cádmio apresentam custos de fabrico baratos e atrativos do ponto de vista estéticos apresentando-se normalmente sob a forma de placas de vidro num tom castanho/azul-escuro. A sua eficiência depende do modo de fabrico das camadas, da temperatura e do tipo de substrato em que é feita a deposição. O máximo alcançado de eficiência da conversão destas células ronda em laboratório os 16.5% (X. Wu and K. Emery 2001). Uma desvantagem de enorme importância é o facto de o cádmio ser uma substância tóxica.
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Em relação ao Silício amorfo (a-Si), absorve a radiação solar de uma maneira muito mais eficiente do que o silício cristalino. Este processo de fabrico é ainda mais barato do que o silício policristalino. Em laboratório é possível obter rendimentos na ordem dos 13%, mas as propriedades conversoras do material deterioram-se na utilização prática, pelo que os rendimentos descem para cerca de 6%. Na Figura 14 estão presentes as três células de 2ª geração. Os equipamentos solares (calculadoras, relógios, entre outros) são habitualmente compostos com células de silício amorfo, representando cerca de 4% do mercado (Shigue 2010).
Existe uma célula que resulta da combinação da clássica célula solar cristalina com uma célula de película fina, a célula híbrida ou célula solar HCI. HCI - Heterojunção com uma Camada fina Intrínseca, refere-se à estrutura destas células solares híbridas. Consiste em silício cristalino e amorfo associado a uma película fina adicional não contaminada (camada fina intrínseca). Uma pastilha monocristalina forma o núcleo da célula HCI e é revestida em ambos os lados por uma camada fina de silício amorfo (a-Si). Como camada intermédia, uma camada ultrafina intrínseca de silício, sem impurezas, liga a pastilha cristalina com cada uma das camadas de silício amorfo. Uma camada a-Si dopada com impurezas do tipo p, é depositada no lado frontal, que forma a junção p-n com a pastilha monocristalina com impurezas do tipo n (Figura 15). Não há degradação da eficiência em resultado do fenómeno de envelhecimento por indução da luz, como é característico das células amorfas de película fina. Comparadas com as células solares cristalinas, a célula HCI distingue-se pela maior produção de energia a elevadas temperaturas. Neste caso, por cada incremento da unidade de temperatura em Grau Celsius, há uma queda de eficiência de 0,33%, em comparação com os 0,45% sentidos pelo silício
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cristalino. A célula HCI poupa energia e material no seu fabrico e a sua eficiência atinge os 17.3%. Uma pastilha de silício monocristalino (m-Si do tipo-N) forma o núcleo, que é revestido em ambos os lados por uma camada finíssima de silício amorfo (a-Si), do tipo intrínseco (silício puro, sem impurezas). Na parte superior da célula é colocada, sobre a camada de silício amorfo do tipo-i, uma camada de silício amorfo do tipo-p, formando uma junção p-i-n com pastilha de silício monocristalino do tipo-n. Na inferior da célula é colocada uma camada de silício amorfo altamente dopado com impureza do tipo-n (fósforo) que serve para evitar a recombinação dos portadores de carga no elétrodo superior.
2.3.4.3 – Células de 3ª geração
O arsenieto de gálio que consiste em elementos do grupo III e do grupo V na tabela periódica permite a produção de células solares de elevada eficiência. Apesar do seu elevado rendimento (cerca de 30%) não são competitivas no preço. Por este motivo, são utilizadas apenas no espaço e para sistemas de concentração. O arsenieto de gálio é bastante melhor a absorver a radiação solar que o silício, o material normalmente usado na maioria das células solares, mas é também mais dispendioso. Para além disso – e apesar de utilizarem uma menor quantidade de material semicondutor – os módulos de tipo concentrado requerem sistemas óticos, de refrigeração, ou de seguimento (que os mantêm sempre virados para o Sol) com um custo elevado. Ainda existe outra vantagem, enquanto as células feitas à base de silício apenas absorvem de forma eficiente uma banda estreita do espetro solar, as novas células são constituídas por três camadas de arsenieto de gálio, todas elas alteradas para converter uma parte diferente do espetro em energia elétrica. Os painéis fotovoltaicos de tipo concentrado usam sistemas de seguimento para seguirem o Sol. São caros e podem ser pouco fiáveis, para além de não poderem ser instalados
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em grande parte dos telhados e coberturas (limitando a sua utilidade). Também só funcionam em áreas muito soalheiras, uma vez que os céus nublados levam a uma queda da energia produzida bastante superior à dos módulos convencionais. Mas à medida que o custo dos sistemas de seguimento vai descendo e a eficiência das células multi-camada aumentando os sistemas de tipo concentrado começam a parecer mais atrativos. Na Figura 16 é exposto um exemplo de um painel FV com a uma célula de 3ª geração.
Atualmente em Portugal na oferta de painéis fotovoltaicos de fabrico nacional evidencia-se uma empresa, a Lobosolar, que se dedica exclusivamente á comercialização, projeto e instalação de sistemas fotovoltaicos. Sendo tecnologia monocristalina ou policristalina, os módulos FV comercializados são os únicos do mercado português a serem reconhecidos como nacionais (Lobosolar 2014). Em relação a produção de painéis solares empresas como a Open Renewables (empresa detida pelo grupo Lobo, onde também faz parte a Lobosolar) e a Energie destacam-se, sendo esta última a referência em produção de sistemas solares térmicos em Portugal. Em 2007 a Energie expandiu a sua fábrica e tornou-se a maior do Mundo, permitindo multiplicar por seis a anterior capacidade de produção e assim possibilitou o alargar à Alemanha e Itália dos mercados de exportação.
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2.4 - Modelo Matemático da Célula Fotovoltaica
2.4.1 - Modelo equivalente simplificado
O funcionamento da célula fotovoltaica pode ser descrito por um circuito elétrico equivalente constituído por um gerador de corrente elétrica acionado por luz em paralelo com um díodo e uma carga (Figura 17).
O modelo apresentado é um modelo simplificado da célula solar. A fonte de corrente, 𝐼𝑠, representa a corrente elétrica gerada pela incidência de radiação luminosa. Esta corrente elétrica unidirecional é constante para uma dada radiação incidente. A corrente 𝐼𝑑, representa a corrente no escuro do díodo, a qual tem sentido contrário a 𝐼𝑠. A corrente 𝐼𝑑 através do díodo é dada pela equação (2.4): 𝐼𝑑 = 𝐼0(𝑒 𝑣 𝑚𝑉𝑇− 1) (2.4) Em que: 𝐼𝑑 - Corrente unidirecional;
𝐼0 - Corrente Inversa máxima de saturação do díodo; V - Tensão aos terminais da célula;
m - Fator de idealidade do díodo (díodo ideal m=1; díodo real m> 1); 𝑉𝑇 - Tensão equivalente da temperatura.
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𝑉𝑇, vulgarmente designado por potencial térmico, pode ser calculado pela seguinte expressão:
𝑉𝑇 = 𝐾𝑇
𝑞 (2.5)
K - Constante de Boltzmann (1,38 x 10−23 J/K);
T - Temperatura absoluta da célula em kelvin (K) (0ºC=273,15 K); q - Carga elétrica do eletrão (1.602 x 10−19 J/ C).
Utilizando a primeira lei de Kirchhoff (lei dos nós), obtém-se a expressão para a corrente I que se fecha pela carga Z:
𝐼 =
𝐼𝑠 − 𝐼𝑑 (2.6)Combinando as equações (2.4) e (2.6): 𝐼 = 𝐼𝑠 − 𝐼0(𝑒
𝑣
𝑚𝑣𝑡 − 1) (2.7)
2.4.2 - Estudo dos pontos de funcionamento de uma célula FV
As células FV são caracterizadas pela sua curva característica I-V, que representa a variação da corrente elétrica que atravessa o dispositivo quando exposta à radiação solar, com carga variável aos terminais. Na caraterização de uma célula fotovoltaica existem dois pontos de funcionamento que merecem particular atenção: célula em curto-circuito e célula em circuito aberto. A Figura 18 representa a curva característica típica de uma célula fotovoltaica.
28 2.4.2.1 - Célula em curto-circuito
Quando uma célula é colocada em curto-circuito, a corrente atinge o seu máximo (𝐼𝑐𝑐) igual á corrente gerada por efeito fotovoltaico e a tensão que a atravessa é zero. Nestas condições a célula fotovoltaica apresenta-se no regime:
V = 0 𝐼𝐷= 0
𝐼 = 𝐼𝑠= 𝐼𝑐𝑐 (2.8)
O seu valor é característico da célula, sendo um dado fornecido pelo fabricante nas condições de referência STC (Standard Test Conditions).
2.4.2.2 - Célula em circuito aberto
Quando o circuito da célula está aberto, a tensão atinge o seu máximo (𝑉𝑜𝑐) que também é um parâmetro característico da célula sendo fornecido pelo fabricante nas condições de referência STC. Apresenta os seguintes valores:
I = 0 𝑉 = 𝑉𝑐𝑎 0 = 𝐼𝑠− 𝐼0(𝑒 𝑣 𝑚𝑣𝑡− 1) (2.9) 𝐼𝑠 𝐼0= (𝑒 𝑣 𝑚𝑣𝑡− 1) (2.10)
O valor da tensão em circuito aberto (𝑉𝑐𝑎) então pode ser determinado:
ln (𝐼𝑠 𝐼0− 1) = 𝑉𝑐𝑎 𝑚𝑉𝑇𝑉𝑐𝑎 = 𝑚𝑉𝑇𝑙𝑛 ( 𝐼𝑠 𝐼0− 1) (2.11)
O valor da tensão em circuito aberto é o maior valor que a tensão alcança aos terminais da célula.
29 2.4.3 - Potência Elétrica de uma célula FV
A curva caraterística típica da potência – tensão (Figura 19) é obtida através do produto entre a corrente e a tensão. A potência elétrica P disponível na saída da célula pode agora ser calculada pela seguinte expressão (2.11).
𝑃 = 𝑉 ∙ 𝐼 = 𝑉 ∙ [𝐼𝑐𝑐− 𝐼0(𝑒
𝑣
𝑚𝑣𝑡 − 1)] (2.11)
Para chegar ao valor máximo da potência disponível há que considerar o valor nulo da derivada da expressão da potência em ordem à tensão disponível (𝑑𝑃
𝑑𝑉 = 0). Assim, pode ser calculado através 𝑑𝑃 𝑑𝑉[𝑉 ∙ [𝐼𝑐𝑐− 𝐼0(𝑒 𝑣 𝑚𝑣𝑡− 1)]] = 0 (2.12) 𝐼𝑐𝑐− 𝐼0(𝑒 𝑣 𝑚𝑣𝑡− 1) + [𝑉 ∙ (𝐼0𝑒 𝑉 𝑚𝑉𝑇 ∙ 𝑚𝑉𝑇 (𝑚𝑉𝑇)2)] = 0 (2.13) 𝐼𝑐𝑐+ 𝐼0∙ (1 − 𝑒 𝑉 𝑚𝑉𝑇 + 𝑉 𝑚𝑉𝑇∙ 𝑒 𝑉 𝑚𝑉𝑇) = 0 (2.14)
Para se obter a solução da equação anterior (2.14) é necessário o uso de um algoritmo iterativos, como por exemplo através do método de Newton-Raphson. No entanto, o ponto de potência máxima, corresponde a:
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𝑃
𝑚𝑎𝑥= 𝑉
𝑚𝑎𝑥∙ 𝐼
𝑚𝑎𝑥 (2.15)Tendo em conta a equação (2.14) têm-se que 𝑉 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 e 𝐼 = 𝐼𝑚𝑎𝑥. Nas referências padrão (STC): 𝑉 = 𝑉𝑚𝑎𝑥𝑟 , 𝐼 = 𝐼𝑚𝑎𝑥𝑟 e 𝑃𝑚𝑎𝑥𝑟 , sendo os valores de 𝑉𝐶𝐴𝑟 , 𝐼𝐶𝐶𝑟 e 𝑃𝑚𝑎𝑥𝑟 caraterísticas da célula fornecidos pelo fabricante e nalguns casos são facultados os valores de 𝑉𝑚𝑎𝑥𝑟 e 𝐼
𝑚𝑎𝑥𝑟 . Potência de pico é a potência máxima de saída obtida em condições STC. À relação entre a potência de pico e a potência de radiação incidente, nas condições padrão, é chamado de rendimento, como se poderá observar na equação (2.16):
𝜂𝑟 =𝑃𝑚𝑎𝑥𝑟
𝐴∙𝐺𝑟 (2.16)
Onde
𝑃𝑚𝑎𝑥𝑟 Potência máxima, W;
𝐺𝑟 Radiação incidente, em condições de referência, 𝑊/𝑚2 ; A Àrea da célula, 𝑚2.
Para outro ponto de funcionamento da célula vem: 𝜂 =𝑃𝑚𝑎𝑥
𝐴∙𝐺 (2.17)
Em que G é a radiação solar incidente por unidade de superfície. Ao quociente entre a potência de pico e o produto 𝑉𝐶𝐴𝑟 ∙ 𝐼𝐶𝐶𝑟 chama-se fator de forma (FF), sendo obtido pela expressão (5.15).
𝐹𝐹 = 𝑃𝑚𝑎𝑥𝑟
𝑉𝐶𝐴𝑟 ∙𝐼𝐶𝐶𝑟 (2.18)
Para células do mesmo tipo, os valores de 𝑉𝐶𝐴𝑟 e 𝐼𝐶𝐶𝑟 são aproximadamente constantes, mas a forma da curva obtida V-I pode variar. As células mais comuns, em uso comercial, apresentam um fator de forma entre 0.7 e 0.85. Quanto maior o fator de forma melhor o rendimentos das mesmas.
31 2.4.4 - Modelo equivalente detalhado
O modelo equivalente da célula apresentada na seção 2.4.1 não é uma representação rigorosa da célula fotovoltaica. Nas células “verdadeiras” existe uma queda de tensão no circuito até aos contatos exteriores, a qual pode ser esquematizada por uma resistência em série 𝑅𝑠. Da mesma maneira existem correntes de fuga, que podem ser descritas por uma resistência em paralelo 𝑅𝑝 (Castro 2008). Este circuito elétrico completo está representado na Figura 20 e a corrente que se fecha pela carga Z é dada pela equação (2.19).
𝐼 = (𝐼𝑠− 𝐼𝐷) ∙ 𝑅𝑝 𝑅𝑝+𝑅𝑠+𝑍 = [𝐼𝑠− 𝐼0(𝑒 𝑣 𝑚𝑣𝑡 − 1)] ∙ 𝑅𝑝 𝑅𝑝+𝑅𝑠+𝑍 (2.19)
2.4.5 - Modelo de dois díodos
A potência máxima gerada por uma célula solar é dependente do fator de forma (FF). Numa célula solar que funciona como um díodo ideal existe apenas ocorrência de recombinação direta e o FF é em função da tensão de circuito aberto. Na prática, numa célula solar real, o valor de FF é menor do que o valor ideal devido às resistências 𝑅𝑝 e 𝑅𝑠 e da recombinação do díodo real. O díodo real é normalmente representado no circuito elétrico equivalente por dois díodos, por um díodo ideal com o fator ideal igual à unidade e por um díodo real com fator de idealidade superior à unidade. Dos modelos apresentados, o modelo de dois díodos é o que descreve de forma mais rigorosa a célula fotovoltaica (Figura 21). Porém este modelo apresenta a desvantagem de não permitir o dimensionamento de uma instalação apenas com os dados fornecidos pelos fabricantes de painéis solares.
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No modelo de dois díodos a corrente I na carga é obtida através de:
𝐼 =𝐼𝑠− 𝐼01(𝑒 𝑣+𝐼𝑅𝑠 𝑚1𝑉𝑇 − 1)− 𝐼02(𝑒 𝑣+𝐼𝑅𝑠 𝑚2𝑉𝑇 − 1)−𝑉+𝐼𝑅𝑠 𝑅𝑝 (2.20)
2.5 - Sistemas e aplicações fotovoltaicas
2.5.1 - Sistemas autónomos
Os sistemas autónomos constituíram o primeiro campo de operação económica da tecnologia fotovoltaica. A aplicação deste tipo de sistemas autónomos, observa-se onde o fornecimento de energia através da rede pública de distribuição de energia elétrica, não se verifica por razões técnicas e/ou económicas. Nestes casos, os sistemas fotovoltaicos autónomos podem constituir alternativas com uma vertente económica de elevado interesse. Este cenário vem ao encontro do grande potencial para a implementação dos sistemas autónomos nos países em vias de desenvolvimento, onde se encontram grandes áreas que permanecem sem fornecimento de energia elétrica. As sucessivas evoluções tecnológicas e a diminuição dos custos de produção nos países industrializados poderão também contribuir para a generalização deste tipo de aplicação. No campo das pequenas aplicações solares de fornecimento de energia elétrica, também podemos observar consideráveis avanços: calculadoras eletrónicas, relógios, carregadores de pilhas, lanternas e rádios, são alguns dos exemplos conhecidos do uso bem-sucedido das células solares em sistemas autónomos de reduzida dimensão.
Na prática, os sistemas autónomos precisam de acumular energia, para compensar as diferenças existentes no tempo entre a produção de energia e a sua procura. As baterias recarregáveis são
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consideradas apropriadas como acumuladores de energia. Em geral, a utilização de acumuladores obriga a que se torne indispensável a utilização de um regulador de carga adequado que faça a gestão do processo de carga, por forma a proteger e garantir uma elevada fiabilidade e um maior tempo de vida útil dos acumuladores. Assim sendo, um sistema autónomo típico consta dos seguintes componentes:
Gerador fotovoltaico;
Um ou vários módulos fotovoltaicos Controlador de carga
Baterias Inversor
ConsumidorEstes parâmetros e respetivas ligações podem ser visualizados através de um exemplo esquematizado na Figura 22.
Os sistemas fotovoltaicos podem ser divididos em sistemas ligados à rede e em sistemas autónomos. No último caso, o aproveitamento da energia solar precisa de ser ajustado à procura energética. Uma vez que a energia produzida não corresponde (na maior parte das vezes) à procura pontual de energia de um consumidor concreto, torna-se obrigatório
