Energia solar
Ementa
2
o
Conquistas e desafios da energia solar
o
Conceitos básicos
o
Radiação solar
o
Física das células solares
o
Circuitos elétricos
o
Célula solar
o
Componentes de um sistema fotovoltaico
o
Tipos de sistemas fotovoltaicos
o
Dimensionado de sistemas fotovoltaicos
o
Outros tipos de células solares
o
Otimização da eficiência
o
Conversão de energia solar via orgânica
o
Medidas e caracterização
o
Utilização de simuladores para células solares
3 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Componentes de um sistema fotovoltaico
4 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Captação – Painéis solares
Componente que capta a energia solar e gera energia elétrica.
o Acumulação – Baterias
Componente que adapta no tempo a disponibilidade e demanda da energia.
o Regulação – Regulador
Componente encarregado de proporcionar a regulação da carga e descarga das baterias.
o Distribuição e consumo – Inversor
Componentes que adaptam e transladam a energia elétrica gerada à carga.
Painel solar
5 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Captação – Painéis solares
Constituído por varias células solares iguais, ligadas eletricamente entre elas em série e/ou paralelo. (Série →Paralelo)
O painel solar conta com outros elementos que possibilitam proteção frente a fatores externos, assegurando um bom funcionamento e possibilitando uma boa sujeição as estruturas de suporte e permitindo a ligação elétrica
Painel solar
6 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Painel solar
7 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Coberta exterior de face ao sol.
Diferentes materiais transparentes (Vidro temperado) que facilitam ao máximo a transmissão da radiação solar.
o Resistência mecânica
o Alta transmissão
o Composição baixa em ferro
o Encapsulante.
o Geralmente de silicone ou EVA (Espuma vinílica acetinada).
o É muito importante que não seja afetada sua transparência pela continua exposição ao sol
o Se procura um índice de refração similar à coberta exterior para não alterar as condições da radiação solar.
Painel solar
8 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Coberta posterior.
o Igualmente deve dar rigidez e uma grande proteção frente a os agentes atmosféricos.
o Usualmente se usam lâminas formadas por distintas capas de materiais de diferentes características
o Quadro metálico.
o De alumínio, que segura o conjunto de partes à estrutura exterior do painel.
o A junção entre o quadro metálico e os elementos que formam o modulo está realizada mediante distintos tipos de sistemas resistentes às condições de trabalho do painel.
Painel solar
9 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Cabeamento e conectores.
o Habituais nas instalações elétricas.
o Protegidos da intempérie por meio de caixas fixadas no painel.
o Diodo de proteção.
o Protege contra sobre cargas ou outras alterações das condições de funcionamento do painel.
Painel solar
10 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Painel solar
11 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Os painéis solares têm entre 28 e 40 células.
o O mais típico é que tenham 36.
o A superfície do painel ou módulo pode variar entre 0.1 e 0.5 m2 e presenta dois
conectores na saída (+ e -), alguns podem ter 3 para ligar o diodo de proteção.
o Normalmente os painéis estão desenhados para trabalhar em combinação com baterias com tensões múltiplos de 12 V.
Painel solar
Características elétricas do painel solar
12 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o A fabricação, comportamento e características elétricas e mecânicas do módulo fotovoltaico, vem determinadas na folha de características do produto que proporciona o fabricante.
o Ao igual que na célula solar, são importantes os seguintes parâmetros
o Potencia máxima
o Tensão de máxima potencia
o Corrente de máxima potencia
o Tensão de circuito aberto
Condições padrões
13 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Os parâmetros anteriores se obtêm em umas condições padrões de
medida de uso universal.
Irradiância: 1000 W/m
2= (1 KW/m
2)
Distribuição espectral da radiação incidente: AM1.5
Temperatura da célula: 25 °C
Painel solar
Comportamento do painel fotovoltaico
14 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Intensidade de corrente aumenta com a radiação, permanecendo mais ou menos constante a voltagem.
o Um médio dia com pleno sol equivale a uma radiação de 1000 W/m2.
o Com o céu coberto, a radiação decai para 100 W/m2.
o Exposição ao sol das células provocam seu esquentamento.
o Uma radiação de 1000 W/m2 pode esquentar em +30 °C.
o A tensão então diminui.
o Sistemas com concentradores devem ter desenho especiais para dissipar calor.
Painel solar
Painel Kyocera KS5T
15 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Painel solar
Painel Kyocera KS5T
16 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Baterias
17 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Conjunto de baterias em série e/ou paralelo para armazenar a energia.
o Fiabilidade do sistema depende em grande parte do sistema de acumulação.
o Bateria
o É um dispositivo que armazena energia.
o É um gerador secundário.
o Principio de funcionamento
o Processo eletroquímico reversível chamado Reação redox (Redução-oxidação) ou oxirredução
Baterias
Parâmetros
18 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Voltagem
o Capacidade de carga
o Quantidade de eletricidade que pode-se obter mediante descarga total de uma bateria inicialmente carregada ao máximo [Ah]
o Eficiência de carga
o Relação entre a energia fornecida à bateria e a energia realmente armazenada
o Auto descarga
Baterias
Parâmetros
19 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Energia e massa
o Constante de carga e descarga C = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎(𝑚𝐴ℎ)
1000
o Efeito memoria
o Profundidade de descarga
o Valor em porcentual da energia tirada de um acumulador
o Ex: Bateria de 100 Ah descarregando-se a 20 Ah = profundidade de descarga do 20 %
o Descargas superficiais de menos do 20 %
Baterias
Associação de baterias
20 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Baterias
Estrutura de uma bateria
21 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Baterias
Dinâmica das baterias
22 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Ânodo → Cátodo (descarregar)
Baterias
Tipos de baterias
23 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Chumbo ácido (Pb-ácido)
o Menor auto descarga
o Manutenção simples
o Deterioram-se menos com o passo dos ciclos de carga e descarga
o Boa resposta para baixos níveis de carga
o Vida meia de 10 anos
o Níquel-Cádmio (Ni-Cd)
o Permanecer um longe de tempo com baixo estado de carga
o Estabilidade na tensão fornecida
o Manutenção mais espaçada no tempo
o Custo muito mais alto (x4)
o Baixa capacidade numa descarga lenta
o Níquel-Zinco (Ni-Zn)
o Zinco-Cloro (Zn-Cl2)
o Íon-Li
Baterias
Aspectos importantes
24 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Instalar as baterias em lugares com boa ventilação
o Ajustar o nível do eletrólito até a altura recomendada
o Manutenção aos conectores das baterias (vaselina)
o Não usar as baterias para o arranque de veículos
o Não usar diferentes tipos de baterias (se não estão preparadas para isso)
o Prevenir curtos circuitos respeitando a polaridade, e isolando as ligações
Baterias
Bateria HR 5.8-12
25 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Regulador de carga
26 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Para um funcionamento satisfatório da instalação na ligação dos painéis com as baterias, o sistema deve ter um regulador de carga
o Regulador sempre necessário menos nas instalações com painéis autorregulados
o A funcionalidade principal é evitar que a bateria continue recebendo energia do painel solar depois de atingir sua carga máxima
o Gasificação
o Esquentamento
Regulador de carga
27 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Prevenção de sobre descarga
o Diminui a vida útil da bateria
o Alguns reguladores incorporam alarmes previas à desligamento
o O usuário pode tomar medidas adicionais
o Alguns reguladores informam o estado de carga da bateria, tensão, e estão previstos com sistemas de proteção como diodos, fusíveis, etc.
o Diodos adicionais para evitar fluxo de energia das baterias aos painéis na obscuridade
Regulador de carga
Características elétricas
28 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Inversor
29 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Conversor ou inversor, adaptam características da corrente gerada à demanda total ou parcial para as aplicações.
o Corrente continua gerada
o Corrente continua consumida
o Não são as mesmas tensões de trabalho → Inversor de corrente continua
o Corrente alternada consumida
Inversor
Características
30 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Tensão de entrada (adaptada à tensão do gerador)
o Potencia máxima que pode proporcionar
o Eficiência
o Relação entre potencia que entrega o inversor (potência de saída) e potencia que extrai do gerador (potência de entrada)
Inversor
Recomendações do inversor
31 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Eficiência alta (eficiência baixa requer de aumento de painéis solares)
o Proteção contra curtos circuitos e sobrecargas
o Incorporar desligamento e ligação automáticas quando não esteja em uso (AC)
o Admitir demandas instantâneas de potencia maiores ao 200%
o Potência contínua
o Potência máxima limitada por tempo (20 min)
o Potência de surto
o A eleição final do inversor depende da carga instalada que será usada
o Dependendo da carga se pode escolher um inversor mais simples
o Existem diferentes tipos de inversores, existem inversores especificamente desenhados para sistemas fotovoltaicos
o Os requisitos e/ou características de cada inversor dependem se o sistema está ligado à rede elétrica
Inversor
Recomendações do inversor
32 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Eficiência alta (eficiência baixa requer de aumento de painéis solares)
o Proteção contra curtos circuitos e sobrecargas
o Incorporar desligamento e ligação automáticas quando não esteja em uso (AC)
o Admitir demandas instantâneas de potencia maiores ao 200%
o Potência contínua
o Potência máxima limitada por tempo (20 min)
o Potência de surto
o A eleição final do inversor depende da carga instalada que será usada
o Dependendo da carga se pode escolher um inversor mais simples
o Existem diferentes tipos de inversores, existem inversores especificamente desenhados para sistemas fotovoltaicos
o Os requisitos e/ou características de cada inversor dependem se o sistema está ligado à rede elétrica
Inversor
Inversor Unitron iVolt 1000
33 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS
o Potência máxima de saída: 1000W
o Potência de Surto: 2000W
o Consumo em Vazio (sem aparelhos ligados à saída): <0,6A
o Fusível interno: Sim Outras características:
o Tensão de Saída (Nominal, RMS): 115Vca +/- 10%
o Frequência de Saída: 60 +/- 4Hz
o Forma de Onda: Senoidal modificada
o Alarme de Tensão Baixa na Bateria: 10,5 +/- 0,5 Vcc
o Tensão de Desligamento: 9,5 +/- 0,5 Vcc
o Faixa de Temperatura Ambiente: 0 a +40¢ªC
o Eficiência (Máxima): 90%
o Proteção Contra Sobrecarga na Saída: Sim
o Proteção Contra Curto-circuito na Saída: Sim
Ligação do sistema
34 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
35 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Nanotecnologia nas baterias
Componentes
36 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
o Ânodo: Grafite
o Cátodo: Liga de lítio
Nanotecnologia nas baterias
Nanofibras
37 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Nanotecnologia nas baterias
Fabricação das nanofibras
38 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Nanotecnologia nas baterias
Eletrospinning
39 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Nanotecnologia nas baterias
Eletrospinning
40 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Nanotecnologia nas baterias
Eletrospinning
41 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Nanotecnologia nas baterias
Eletrospinning
42 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
Nanotecnologia nas baterias
Densidade de energia
43 M.Sc. Jose Eduardo Ruiz Rosero
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 35 42,5 64 90 135 115 460
