ENERGIA SOLAR Energias Renováveis. Miguel Centeno Brito

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ENERGIA SOLAR

Energias Renováveis

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Produção

electricidade

por via

fotovoltaica

a

partir de

radiação

solar

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3

Radiação solar média em Portugal: 1500 kWh/m2_/ano

Com uma eficiência de conversão de 15%: 225 kWh/m2_/ano

Consumo electricidade em 2010: 5.0 x1010 _kWh/ano

Área total necessária para produzir 100% da electricidade consumida em 2010:

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Radiação solar média em Portugal: 1500 kWh/m2_/ano

Com uma eficiência de conversão de 15%: 225 kWh/m2_/ano

Consumo electricidade em 2010: 5.0 x1010 _kWh/ano

Área total necessária para produzir 100% da electricidade consumida em 2010:

220 km2 22m2/pessoa

Comprimento estradas em Portugal: 90000 km

Assumindo 10m de largura:

900 km2 _{= 9 x 10}2+6 _{= 9 x 10}8 _m2

Por habitante:

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10 0 200 400 600 800 1000 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Po tê n ci a in st alad a [MW]

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

Bandas de energia permitidas



Bandas de valência e condução

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

Bandas de energia permitidas



Bandas de valência e condução



Nível de Fermi

Separação interatómica E_F E_V E_C E n ergy Distance Bandgap

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22



Bandas de energia permitidas



Bandas de valência e condução



Nível de Fermi

E_F E_V E_C E n ergy Distance Bandgap

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23

 Absorção da luz

depende da energia do fotão incidente

E_ph = E_g

( )

_{( )}

m eV E hc E    24 . 1 = =

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24

E_ph < E_g

( )

_{( )}

m eV E hc E    24 . 1 = =

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25

E_ph > E_g

( )

_{( )}

m eV E hc E    24 . 1 = =

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26 0 K T₁ T₂ > T₁

 Efeito da temperatura

 Efeito da dopagem

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Custo

Desempenho, durabilidade Disponibilidade matéria prima Aspectos ambientais

Maturidade tecnológica Promotores

Outros

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35 lifetime l Operationa time payback Energy yield Energy =

 Payback time energético  Energy yield

Valores típicos garantia módulos silício: 25 anos

Centrais com 40 anos de vida com produção 80% valor nominal.

Um painel fotovoltaico produz de 20 a 50x

a energia que foi utilizada para o fabricar!

menor payback time

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A.Feltrin, A.Freundlich, Material considerations for TW level deployment of PV, Renewable Energy 33 (2008) 180–185

Potential energy limits

imposed by global silver (Ag) reserves for bulk-like silicon photovoltaic technologies. The orange shaded area represents limits reached

using 50 mm-thick Ag ribbons. The green shaded area

represents limits estimated using a 2 mm thick Ag electrodes and 5% grid shadowing.

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Comparação entre tecnologias PV diferentes:

• Mercado dominado

actualmente por silício cristalino

• Apenas um fabricante

relevante de filmes finos (CdTe) • Tecnologias emergentes em desenvolvimento no lab e entusiasmando Silicon Valley • Tecnologias de alta eficiência no nicho da alta concentração

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42 Tensão (V) C o rre n te (A)

 Característica IV de uma célula solar

      − − = nkT 1 qV o L I e I

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43 Tensão (V) C o rre n te (A) I_SC

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44 Tensão (V) C o rre n te (A) I_SC V_OC

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45 Tensão (V) C o rre n te (A) I_SC V_OC V_MP I_MP

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46 Tensão (V) C o rre n te (A) I_SC V_OC V_MP I_MP

Factor de preenchimento FF SC OC MP MP I V I V

FF = Seria unidade se célula ideal_{Valor típico 0.7 – 0.8}

in SC OC in Q I V FF Q P = = max  Eficiência de uma célula solar:

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47 Temperatura reduz tensão em 2.3 mV/o_C Tensão (V) C o rre n te (A)  Efeito da temperatura

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48 Tensão (V) C o rre n te (A)  Efeito da radiação

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49

Parametros que determinam desempenho célula solar • Irradiância

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Parametros que determinam desempenho célula solar • Irradiância

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51 Tensão (V) Cor re n te ( A ) + _ PARALELO

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52 Tensão (V) Co rr en te ( A)

 Ligação células solares

SÉRIE

+ _

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53

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54 Gerador de backup Rede eléctrica Bateria Gerador fotovoltaico

Controlo _{(AC ou DC)}Carga  Sistema fotovoltaico

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Controlo _{(AC ou DC)}Carga

 Sistema fotovoltaico

Bateria

Armazenamento de energia eléctrica

Pode ser dispensado em sistemas com injecção na rede

O mais sensível dos componentes dos sistema (vida útil 5-10 anos)

Cada vez também o mais caro dos componentes do sistema

Tempo de vida (# ciclos) tanto mais longo

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 Sistema fotovoltaico Bateria Controlador de carga Protecção da bateria: Evita sobrecargas Evita sobredescargas

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 Sistema fotovoltaico

Bateria

Controlador de carga

Inversor

Transforma DC → AC

Se ligado à rede eléctrica deve ser síncrono com o sinal AC da rede

Se ligado à rede eléctrica pode permitir injecção na rede

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Parametros que determinam desempenho sistema solar • eficiência dos componentes a jusante: inversor

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Parametros que determinam desempenho sistema solar • eficiência dos componentes a jusante: inversor

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Parametros que determinam desempenho sistema solar • eficiência dos componentes a jusante: MPP

Eficiência típica do resto do sistema PV é da ordem de 80%

Eficiência típica do do módulo PV é da ordem de 15%

Eficiência típica final do sistema PV é da ordem de 12%

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61 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 12 24 36 48 60 72 Time (hours) P/P I nstall ed 100 systems one system

Variabilidade (e não intermitência!)

Source: Wiemken et al (2001, Solar Energy 70, 6, 513–518, http://www.sciencedirect.com/science/journal/0038092X)

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Source: Wiemken et al (2001, Solar Energy 70, 6, 513–518, http://www.sciencedirect.com/science/journal/0038092X) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 6 12 18 24 Time (hours) Norm ali sed P ower Average of 100 systems Stdev of 1 system Stdev of 100 systems

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Source: Wiemken et al (2001, Solar Energy 70, 6, 513–518, http://www.sciencedirect.com/science/journal/0038092X) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 100 200 300 400 500 600 700 Distance (km) r ij

Correlação entre sistemas solares decai com a distância entre eles

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Impactos ambientais

 Consumo de energia durante o processo de

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Impactos ambientais

fabrico

 Eventuais acidentes industriais durante o

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Impactos ambientais

fabrico

processo de fabrico

 Libertação de Cd em caso de incêndio ou se

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Impactos ambientais

fabrico

processo de fabrico

 Libertação de Cd em caso de incêndio ou se

não recolhido para reciclagem no final de vida

 Promoção de baterias de chumbo

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P. Gottesfeld, C.R. Cherry, Lead

emissions from solar photovoltaic energy systems in China and India, Energy Policy

39 (2011)4939–4946

Base and alternative lead

emission scenarios for solar PV systems.

Constant LAB: current LAB intensity (kWh LAB per kW PV) throughout system life cycle, Low LAB: LAB intensity

decreases by 5% per year throughout timeline,

Low Loss: ongoing annual improvement (5% China, 4% India) in mining and smelting, manufacturing, and recycling efficiency.