Fundamentos de Engenharia Solar Energia Fotovoltaica parte 1 José R. Simões-Moreira Racine T. A. Prado

(1)

Fundamentos de Engenharia Solar

Energia Fotovoltaica – parte 1 José R. Simões-Moreira Racine T. A. Prado

(2)

Células fotovoltaicas

Fundamentos de Engenharia Solar

(3)

Fundamentos de Engenharia Solar

Módulo cristalino Módulo de filme fino

Schottsolar

(4)

Aplicações

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Estações espaciais

(5)

MME

(6)

CPFL TANQUINHOS

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Fabricantes de Painéis Solares

Fundamentos de Engenharia Solar

(16)

Célula fotovoltaica – corte transversal

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(17)

Semicondutores

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Caracterizam-se por possuir uma banda de valência totalmente preenchida por elétrons e uma banda de condução totalmente “vazia” a temperaturas muito baixas.

(18)

Banda de valência e de condução

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Banda de valência é uma banda de energia formada por níveis de energia,

ocupada por elétrons

semilivres, um pouco mais separados do núcleo que os demais.

Nesta banda, de energias menores que a banda de condução, a incidência de radiação eletromagnética faz com que os elétrons “saltem” o bandgap, formando buracos e geração de corrente.

(19)

Fenômeno fotoelétrico

Fundamentos de Engenharia Solar

Uma propriedade fundamental das células fotovoltaicas é a

possibilidade de fótons, na faixa do visível, com energia superior ao

bandgap do material, excitarem

elétrons movendo-os para a banda de condução.

(20)

Silício

Fundamentos de Engenharia Solar

Os átomos do Silício se caracterizam por possuir quatro elétrons de

ligação que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina.

(21)

Cristais de Silício de uma célula solar

Fundamentos de Engenharia Solar

Imagem de superfície de silício em microscópio eletrônico

(22)

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O fósforo é um dopante doador de elétrons ou dopante n

Silício e dopagem com fósforo

Adição de fósforo, com 5 elétrons, ao silício Elétrons em excesso, “sobrando”, com

ligações fracas a seus átomos originais

Com pouca

energia térmica, estes elétrons vão para a banda de condução.

(23)

Fundamentos de Engenharia Solar

Adição de átomos com apenas três elétrons de ligação, como é o caso do boro.

Silício e dopagem com boro

Falta de elétrons para satisfazer as ligações com os átomos de silício: buracos. Com pouca energia térmica, elétrons próximos passam para estas posições, ocorrendo deslocamento dos buracos.

(24)

Semicondutor

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(25)

Fundamentos de Engenharia Solar

Dopagem do silício com fósforo e boro

O que ocorre nesta junção é que elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os

capturam; isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-o negativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que o torna eletricamente positivo.

(26)

Processo de conversão fotovoltaica

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(27)

Energia de um fóton

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onde:

h: constante de Planck ( 6,6256 x 10-34 Js); f: frequência, em Hz.

(28)

Energia de um fóton

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Segue-se que, se a frequência f aumenta,  diminui e a energia do fóton aumenta.

Consequência  uma quantidade de energia mínima de um fóton é necessária, para deslocar um elétron, em um dispositivo fotovoltaico.

(29)

Radiação solar com comprimento de onda

aproximadamente até 1



m excita elétrons.

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(30)

Materiais

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Silício cristalino (c-Si)

Tecnologia mais empregada no mercado atualmente, com uma participação de 95% do mercado de células

fotoelétricas. Atualmente apresenta um rendimento de 15 a 21% em suas células; painéis solares feitos de células de silício cristalino tem rendimento de 13 a 17%.

(31)

Silício policristalino (p-Si):

•

eficiência de conversão inferior • custo de produção mais baixo

• O material de partida é o mesmo do monocristalino, mas é fundido e solidificado direcionalmente, resultando em um bloco com grande quantidade de cristais, onde há defeitos que diminuem sua eficiência de conversão. O restante do processo é semelhante ao do (m-Si).

Pode ser fabricado em fitas, dispensando o fatiamento. Hoje, detém mais 50 % da produção mundial

Rüther

(32)

Fundamentos de Engenharia Solar

Silício amorfo (a-Si)

Participação de cerca de 3,7% do mercado de células fotoelétricas, tem rendimento de cerca de 7%.

(33)

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CIGS

Nome comercial para células de filme fino fabricadas

com Cu(In,Ga)Se₂. Participação de 0,2% do mercado de células fotoelétricas e rendimento de 13%. Atualmente sofre problemas com o abastecimento de índio para sua produção, visto que 75% de todo o consumo do material no mundo se dá na fabricação de monitores de tela

plana, como LCDs e monitores de plasma.

(34)

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Arsenieto de gálio (GaAs)

Atualmente é a tecnologia mais eficiente empregada em células solares, com rendimento de 28%. Porém, seu custo de fabricação é extremamente alto, tornando-se proibitivo para produção comercial, sendo usado

apenas em painéis solares de satélites artificiais.

(35)

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Telureto de cádmio (CdTe)

Participação de 1,1% do mercado de células fotoelétricas, é uma tecnologia que emprega filmes finos de telureto de cádmio. Apresenta pouco apelo comercial devida à alta toxicidade do cádmio.

(36)

Silício amorfo hidrogenado (a-Si):

• Melhor resposta no espectro azul 

• Melhor eficiência em condições de

iluminação artificial (fluorescente) ou de céu

encoberto (predomínio de radiação difusa)

 Aplicações em calculadoras e relógios.

(37)

Produção do (a-Si):

• T



300 

C (processos a plasma);

• filmes finos depositados sobre substratos de

baixo custo (vidro, aço inox, plásticos,...),

resultando em módulos leves, flexíveis, curvos,...)

Rüther

(38)

Silício amorfo (a-Si) - vantagens:

• emprego como material

de revestimento;

• não apresenta redução de

potência com o aumento de

temperatura de operação.

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(39)

Semicondutores mais utilizados:

• Silício cristalino (c-Si);

• Silício amorfo hidrogenado (a-Si-H);

• outros: à base de Cd, Te, In e Ga, que

são escassos e tóxicos.

Formas:

• lâminas cristalinas, com



= 10 cm e

esp



300 – 400



m;

• filmes finos com esp



1 

m.

(40)

Eficiência:

• conversão fotovoltaica do c-Si



15 %;

• filmes finos



7 – 10 %.

Preços:

Painéis de filmes finos têm preço menor

($/potência ou $/energia) do que os de c-Si,

mas deve-se considerar o fator área ocupada.

(41)

Participação dos tipos de materiais no

mercado

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(42)

Mercado de células fotovoltaicas

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(43)

Processo de fabricação do silício monocristalino

• velocidade de crescimento do cristal



1 cm/h;

• T



1.400 

C;

• usinagem do tarugo;

• corte das lâminas;

• lapidação;

• ataque químico;

• polimento;

• processos de difusão/dopagem;

• deposição da máscara condutora de

eletricidade gerada;

• interconexão das células em série para

obtenção do módulo fotovoltaico.

Rüther

(44)

Produção do tarugo - Metodo de Czochralski

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(45)

Processamento do silício

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(46)

Produção

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(47)

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Schottsolar

(48)

Estrutura de módulo fotovoltaico

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(49)

Curva I x V de célula fotovoltaica

apud CEPEL-CRESESB

(50)

Desempenho de células fotovoltaicas

Curva I - V

Zilles et al.

(51)

Desempenho de células fotovoltaicas,

com variação da irradiância

Zilles et al. STC : 1000 W/m2

T = 25 C

SP = Sol Pleno

Curva I - V

Curva P - V

(52)

Desempenho de células fotovoltaicas,

com variação da temperatura

Zilles et al. STC : 1000 W/m2

T = 25 C

SP = Sol Pleno

Curva I - V

Curva P - V

(53)

Características das células e módulos

• Voltagem de circuito aberto (Voc): tensão entre os terminais positivo e negativo da célula exposta à radiação;

• corrente de curto circuito (Isc): corrente que aparece na ligação direta dos terminais de um módulo, sem equipamento conectado.

(54)

Agrupamento de várias células fotovoltaicas.

Zilles et al.

(55)

Agrupamento de várias células fotovoltaicas.

Zilles et al.

(56)

Agrupamento de várias células fotovoltaicas.

Em paralelo, as correntes são somadas.

Em série, as tensões são somadas

Wenham et al.

(57)

Módulo é o agrupamento de várias células

fotovoltaicas.

Em paralelo, as correntes são somadas e a tensão do módulo é a tensão da célula. Em série, somam-se as tensões de cada célula.

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(58)

Rendimento do gerador fotovoltaico – fatores

determinantes do desempenho:

• radiação solar:

• localização geográfica;

• inclinação;

• orientação;

• temperatura dos painéis;

• sombreamento parcial;

• desacoplamento de painéis de um mesmo

string;

• resistências dos condutores;

• limpeza dos painéis.

Rüther

(59)

Sombreamento

Uma pequena sombra (de antena, p. ex.) pode

reduzir muito o desempenho do sistema, pois

a célula com menor incidência de radiação

determina a corrente que circula no sistema e,

portanto, sua potência. Pode até atuar como

carga, aquecendo-se excessivamente e

atingindo a destruição do módulo (hot spot).

 prevenção com diodo bypass.

(60)

Sombreamento

Fundamentos de Engenharia Solar

Zilles et al.

Comportamento de módulo sombreado

(61)

1º problema: o efeito de um sombreamento é

contornado com um diodo bypass em paralelo

com o módulo

CEPEL-CRESESB

(62)

2º problema: corrente negativa circulando pelas células. P.ex, da bateria para o painel, em períodos de radiação baixa ou nula.

CEPEL-CRESESB

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Bateria Carga M M M M M M M M M M M M

(63)

Tipos de sistemas PV

Fundamentos de Engenharia Solar

• isolados;

• híbridos;

(64)

Fatores na escolha do tipo de sistema

Fundamentos de Engenharia Solar

• investimento inicial; • custo de manutenção;

• dificuldade de obtenção de combustível complementar;

• poluição do ar e sonora do combustível; • área ocupada pelo Sistema Fotovoltaico; • curva de carga;

(65)

Armazenamento de energia fotovoltaica

Fundamentos de Engenharia Solar

Arranjo Fotovoltaico Unidade de controle e condicionamento de potência Usuário Armazenamento CEPEL-CRESESB

(66)

Sistemas autônomos , não conectados à

rede elétrica, podem ou não ter sistemas

complementares.

Fundamentos de Engenharia Solar

(67)

Sistemas híbridos são os que possuem

sistemas complementares.

Fundamentos de Engenharia Solar

(68)

Possibilidades de Sistemas Híbridos

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Potência eólica Fotovoltaica Célula de combustível Biomassa Gás Natural DC/AC DC/DC DC/DC DC/DC DC/DC Controle Controle Controle Controle Controle

(69)

Sistemas isolados são aqueles puramente

fotovoltaicos.

Fundamentos de Engenharia Solar

(70)

Sistemas híbridos possuem sistemas

complementares e geralmente atendem

cargas de corrente alternada (CA).

Fundamentos de Engenharia Solar

Necessidade de Inversor

(71)

Sistemas conectados à rede entregam a

potência fotovoltaica à rede.

Fundamentos de Engenharia Solar

Necessidade de Inversor

(72)

Sistema conectado à rede

Fundamentos de Engenharia Solar

Arranjo

Fotovoltaico Inversor

Barramento

da rede

(73)

Carga CC sem armazenamento

Fundamentos de Engenharia Solar

Arranjo

Fotovoltaico Equipamento CC

(74)

Carga CC com armazenamento

Fundamentos de Engenharia Solar

a Arranjo Fotovoltaico Controlador de carga Cargas CC Armazenamento CEPEL-CRESESB

(75)

Carga CA sem armazenamento

Fundamentos de Engenharia Solar

Arranjo

Fotovoltaico Inversor

Cargas CA

(76)

Conexão

elétrica do

gerador

fotovoltaico à

rede

convencional

Caixa, com base em Rüther

(77)

Fundamentos de Engenharia Solar

Arranjo Fotovoltaico Seguidor do ponto de máxima potência Cargas CA Armazenamento

Carga CA com armazenamento e seguidor

do ponto de máxima potência

Inversor

(78)

Fundamentos de Engenharia Solar

Sistema Residencial - Medição única do

Balanço de energia

(79)

Fundamentos de Engenharia Solar

Sistema Residencial - Medição dupla do

Balanço de energia

MME

kWh kWh

(80)

Fundamentos de Engenharia Solar

Vantagem da integração à rede –

complementação da curva de carga

(81)

Vantagens para o sistema elétrico:

• minimização de perdas por transmissão;

• redução de investimentos em linhas de transmissão; • área de instalação não é significativa;

• melhoria da qualidade de energia (kVAr);

• coincidência de demanda com ar condicionado; • grande modularidade reduz capacidade ociosa de geração.

Rüther

(82)

Componentes do sistema:

•

módulos;

•

sistema de fixação;

•

conversor(ou

inversor) CC-CA

(necessita proteção contra sobretensões);

•

diodos de by-pass

(evita que string sombreado opere como carga);

•

diodos de bloqueio;

•

terminais;

•

cabos

(com duplo

isolamento,

resistentes a UV, T >

50 

C);

•

dispositivos de

proteção:

•

sobrecorrentes (fusíveis);

•

descargas atmosféricas

;

• caixas de conexão;

• baterias

(12 V).

(83)

Hora Irradiância (kW/m2) Radiação (kWh/m2) 07:00 0,2 0,2 08:00 0,3 0,3 09:00 0,4 0,4 10:00 0,5 0,5 11:00 0,6 0,6 12:00 0,7 0,7 13:00 0,6 0,6 14:00 0,5 0,5 15:00 0,4 0,4 16:00 0,3 0,3 17:00 0,2 0,2 4,7

HSP: como se

tivesse 4,7

horas de

Irradiância

de 1,0 kWp.

(84)

Escolha do módulo fotovoltaico

A especificação da potência do módulo

fotovoltaico é dada em Wp (Watt pico),

associada às condições padrão de testes

(STC - Standard Test Conditions).

(85)

Air Mass: AM

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(86)

STC e PTC

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• Standard Test Condition: "Factory Standard Test Conditions“ significam:

• 1000 W/m2_;

• Massa de ar = 1,5; • T_célula = 25 ºC.

• PTC: "PV USA Test Conditions” significam: • 1000 W/m2_;

• Massa de ar = 1,5; • T_célula = 20 ºC;

• 10 m acima do solo;

(87)

NOCT: Normal Operation Cell Temperature

Fundamentos de Engenharia Solar

• Representa a temperatura usual de operação

da célula

• 800 W/m2_;

• Temperatura do ar = 20 ºC. •T_célula = 48,4 ºC.

• Os resultados dos tests informam: • Pmpp;

• Vmpp; • Voc; • Isc.

(88)

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Mitsubishi

(89)