Energia-Solar-Fotovoltaica Trajano-Viana Parte 1

7/25/2019 Energia-Solar-Fotovoltaica Trajano-Viana Parte 1

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ENERGI SOL R

FOTOVOLT IC

un amentos e p ca esParte 1

Prof. Dr. Trajano Viana.

CEFET/RJ

Energia Solar Fotovoltaica - CEFET/RJ - Prof. Trajano Viana - Maro - 2014

aro -


Objetivos:

Descrever os componentes FV e suas caractersticas eltricas bsicas

Apresentar a aplicao da tecnologia FV para gerao de energia eltrica por

meio dos sistemas fotovoltaicos conectados rede eltrica (SFVCR)

Contedo: Energia Solar

Tecnologia Fotovoltaica s emas o ovo a cos

Sistemas Fotovoltaicos Isolados (SFVI)

Sistemas Fotovoltaicos Conectados Rede Eltrica (SFVCR)

Todos as marcas, modelos, dados e caractersticas de peas, componentes eltricos, eletrnicos e

fotovoltaicos, mencionadas neste texto, so propriedade de seus titulares e so apresentadas

a enas ara fins didticos e de exem los.Qualquer meno a marcas e modelos presente neste texto no tem o objetivo de recomendar ou

indicar tais marcas e modelos para aquisio ou uso, pois so apresentadas apenas para fins

didticos e de exemplos.


As figuras apresentadas so de propriedade dos titulares citados ou do autor.

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1 - INTRODUO

1.1 - Conceitos Bsicos

Tenso (V) Unidade: volt (V) 127 V, 220 V

Corrente (I) Unidade: ampere (A)

Potncia (P) Unidade: watt W

P = V x I

Ener ia E E = Potncia x Tem o watt x hora Unidade: watt-hora (Wh)

E = P x t

1.2 - Terminologia Bsica Mdulo fotovoltaico

Potncia do mdulo fotovoltaico Wp (Watt-pico) Sistema fotovoltaico Potncia instalada Wp, kWp, MWp Inversor


o nc a o nversor

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1.3 - Necessidades de Energia

Ener ia trmica calor Energia mecnica movimento

Energia eltrica Energia eltrica trmica calor

Energia Solar Fotovoltaica - CEFET/RJ - Prof. Trajano Viana - Maro - 2014 4

Figuras: Google Images


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1.4 - Fontes de Energia

Primrias No renovveis - Convencionais Secundrias Renovveis - Alternativas

- Sujas - No sustentveis- Limpas - Sustentveis

FontesFONTES RENOVVEIS FONTES NO

RENOVVEIS

Secundrias


Fonte: www.comciencia.br/reportagens/2004/12/15.shtml

2 - FUNDAMENTOS DA ENERGIA SOLAR

2.1 - Radiao Solar- Forma de transferncia de energia advinda do Solatravs da propagao de ondas eletromagnticas.

Componentes da radiao solar direta, difusa e devida ao albedo.

Radiao Solar

- Direta

- Difusa

- de Albedo

Irradincia Irradiao Trajano Viana

Radiao global (horizontal) recebida em uma superfcie plana horizontal, comas componentes direta e difusa.


qualquer, com as componentes direta, difusa e devida ao albedo.

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Constante solar (G0) - A radiao emitida pelo Sol atinge a camada externa.

denominada "constante solar.

A radia o solarsofre atenua o devida a diversos fatores ao atravessar a atmosferade forma que a intensidade mxima da radiao (irradincia), na superfcie terrestre, cerca de 1.000 W/m.

Massa de Ar AM do inglsAir Mass, a razo entre o caminho ticopercorrido pelos raios solares ao cruzar a atmosfera (SO) e o caminho vertical

, .

Z AM = SOZO

Z


AM = 0 Extraterrestre AM = 1,5 Z = 48,2AM = 1 Sol no znite AM = 2,0 Z = 60,1

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2.2 - Espectro Solar O espectro solar est inserido na ampla gama de radiaes eletromagnticas, que vai

desde as ondas de rdio, TV, radar (microondas) at os raios e raios X.

A radia o solar a resenta trs randes faixas:ultravioleta UV luz visvel einfravermelho, conforme mostra o grfico do espectro solar.

InfravermelhoUV Visvel

ara

d

ao

e

re

atva

Intens

da

Sob o onto de vista rtico ara a roveitamento da ener ia solar as faixas de maior

Comprimento de onda (nm)

interesse so: visvel (luz) e infravermelho (calor).

Potencial energtico do Sol


Trs semanas de energia solar, recebida na Terra, equivale energia de todas asreservas de combustveis fsseis conhecidas.

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2.3 - Aproveitamento da Energia Solar

A radiao solar pode ser aproveitada para aquecimento ou para gerao deeletricidade.

a) Aquecimento de gua Calor coletores solar trmico aquecimento da gua

a xa empera ura aquec men o e gua em res nc as, o s, c u es,hospitais, piscinas, etc.


Fonte: Soletrol

b) Gerao indireta de energia eltrica

Calor concentrador solar trmico aquecimento de gua vapor turbina gerador energia eltrica

Alta temperatura produo de vapor para movimentar as ps da turbinaque aciona o gerador eltrico.




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Gerao indireta de energia eltrica

Calor concentrador solar trmico calha parablica / disco parablico

Alta temperatura produo de vapor para movimentar as ps da turbina

Disco

que aciona o gerador eltrico.

CalhaParablica

Parablico



Planta com Calhas Parablicas - Luz International Ltd. - 354 MW 15 MWe a 80 MWeDeserto Mojave , Califrnia - 984-1990 (Fonte: www.docstoc.com/docs/43672138/)

d) Gerao direta de energia eltrica

Luz mdulo fotovoltaico sem concentrador efeito fotovoltaico tenso eltrica contnua (VCC)

.

Fotovoltaico

+_ Tenso eltrica VCC

Os mdulos so formados por clulas fotovoltaicas que transformam a energiasolar diretamente em energia eltrica.


Mdulos FV fornecem tenso contnua na sada (Vcc) polos + e

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Gerao direta de energia eltrica

Luz mdulo fotovoltaico sem concentrador efeito fotovoltaico tenso eltrica contnua (VCC)

Os mdulos fotovoltaicos so utilizados em sistemas fotovoltaicos de

Fotos: Trajano Viana

,

grande potncia (MW).


energia eltrica a partir da energia solar.

Gerao direta de energia eltrica

Luz mdulo fotovoltaico com concentrador efeito fotovoltaico tenso eltrica contnua (VCC)

CC

oncen ra orcom lente de

FresnelConcentrador

parablico


Planta fotovoltaica Sistemas com concentrador


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2.4 - Captao da Energia Solar

O posicionamento de uma superfcie, para captar energia solar, deve atenderaos requisitos de orientao, inclinao e de sombreamento.

O Sol apresenta trajetrias aparentes no cu, que se deslocam ao longo doano e determinam a orientao e a inclinao da superfcie coletora.

21 de dezembro

Orientao a superfcie deve estar voltada para o equador:Hemisfrio Sul Norte Hemisfrio Norte

Sul

Inclinao depende do objetivo: maior ca ta o no vero

Sul

Oeste maior captao no inverno captao mxima durante o ano.

e

junho

Sombreamento

obstculos,como rvores, postes ou edificaes

Nortesuperfcie em determinados perodosdo dia/ano, reduzindo a captao.


O sombreamento dever ser evitado.

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Figura: Adaptada de: pittsburghpermaculture.org

2.5 - Medidas em Energia Solar- Unidades - Medidores

ENERGIA SOLAR

Instantnea Inte rada(Potncia/m2) (Energia/m2)

Irradincia (W/m2) Irradiao (Wh/m2)

Unidades usuaisMedidores de irradincia

mkW/m2

IrradiaoWh/m2/diakWh/m2/dia


kWh/m2/ano

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Piranmetro Sensor de silcio


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2.6 - Irradincia Medida

Irradincia (W/m ) medida pelo piranmetro.

----------------Horizontal

---------------Inclinado 27

Energia?


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2.8 - Bancos de Dados de Irradiao

Dados histricos 10 anos ou mais mdia histrica

Dados de irradincia clculo da Irradiao

Radimetros e modelos computacionais

Radimetros medem a irradincia

Estaes solarimtricas no solo distribuio espacial, instalao,manuteno, coleta de dados, ...

Modelos computacionais estimam a irradincia ou irradiao a partirde dados meteorolgicos e de outros tipos.

Modelos Dados de satlite => Modelo BRASIL-SR INPE

Validao dos dados baseada em dados medidos em estaessolarimtricas.

Incertezas e rr

ProjetoSWERA ATLAS BRASILEIRO DE ENERGIA SOLAR=


2.9 - Atlas Brasileiro de Energia Solar

Modelo BRASIL-SR

- Mapas de irradiao global horizontal e inclinada (inclinao igual latitude)- Mapas sazonais e anuais-


CD-ROM anexo ao Atlas.


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2.10 - MAPA DE IRRADIAO SOLAR DO BRASIL(kWh/m2/ano)

Superfcie horizontal

Horizontal

2200 kWh/m2ano

2100 kWh/m2/ano

1900 kWh/m2/ano


Fonte: VIANA et al- Solar Energy 85, 2011

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2.11 - MAPA DE IRRADIAO SOLAR DO BRASIL(kWh/m2/ano)

Superfcie inclinada

Inclinada

Inclina o i ual latitude do local

2300kWh/m2ano

Observar o efeito no valor da

2200kWh/m2/ano

irradiao ao inclinar asuperfcie.

2100kWh/m2/ano


Fonte: VIANA et al- Solar Energy 85, 2011


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3 - TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA a ecno og a, mas s mp es e u zar No poluente e fonte renovvel No roduz rudo Baixa manuteno Operao desassistida

Instalaes desde baixa potncia,da ordem de W, at MW

Foto: Trajano Viana

amen e con ve uso em satlites

Caracterstica modular


o sistema pode ser ampliadoconforme a necessidade. http://www.popsci.com/aviation-amp-space/gallery/2011-06/first-ever-photos-space-shuttle-

docked-space-station?image=0

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3.1 - Efeito fotoeltrico X fotovoltaico e o o oe r co

caracterizado pela emisso de eltrons parafora da superfcie de um material quando este ex osto luz.

EEftonfton = h.f= h.f

Eltrons sero ejetados se a energia daradiao for suficiente, isto :

Efton= h.f > EmaterialNo caso do potssio, Ematerial = 2 e V

Os eltrons tendem a retornar ao material.

Efeito Fotovoltaico caracterizado pelo surgimento de uma

diferen a de otencial tenso eltrica entreos terminais de um dispositivo semicondutorquando este exposto luz.

A tenso eltrica surge devido formao de- .

Os eltrons fotogerados so movidos para omaterial N (terminal-) e as lacunas em direo

ao material P terminal+ .

Material

ti o P

-Tensoeltrica

+

Materialtipo N

Eltrons e lacunas so mantidos afastadosdevido barreira de potencial existente nointerior do dispositivo (VB). Os eltrons podem


circular pelo circuito externo (corrente eltrica)e recombinar com as lacunas.

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3.2 - Juno PN (Diodo) como Clula Fotovoltaica

A exposio da juno PN radiao solar pode provocar a quebra deligaes covalentes e movimentar eltrons do material P para o material N.

tenso da barreira de potencial.

Para haver retorno de eltrons ao material P estes devem ercorrer um

caminho externo (corrente eltrica), atravs de um utilizador/consumidor(carga).

NA

P B


,fotogerada, que depender da intensidade da radiao irradincia.

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3.3 - Clula fotovoltaica- dispositivo especificamente desenvolvido para.

3.4 - Mdulo fotovoltaico - Unidade bsica formada por um conjunto de,

gerar energia eltrica.

.

O tringulo indica o polo positivo (+)

3.5 - Painel fotovoltaico - Conjunto de mdulos fotovoltaicos interligadoseletricamente e montados de modo a formar uma nica estrutura.


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3.6 - Tecnologias de clulas e mdulos ecno og a o s c o cr s a no

Lminas (wafers) de silcio cristalino (c-Si), com espessura de ~0,18 mm.

Silcio policristalino (p-Si)Silcio cristalino (c-Si)

-

Cerca de 80% da produo mundial de clulas/mdulos baseada nos c o cr s a no p- e m-

Tecnolo ia de filmes finos

Finas camadas (filmes finos) de materiais depositados sobre substratosrgidos ou flexveis. A espessura dos filmes da ordem de 0,01 mm.

Silcio amorfo (a-Si)Telureto de cdmio (CdTe)mes nos sse ene o e co re e n o

Disseleneto de cobre, ndio e glio (CIGS)Silcio micromorfo c-Si/a-Si


3.7 - Do silcio clula fotovoltaica p-Si e m-Si

Si


Clula

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3.8 - Estrutura tpica de um mdulo fotovoltaico c-Si

Moldura de alumnioClulas

Fotovoltaicas

Vidro temperado

Lmina encapsulante (EVA*)

Clulas ligadas em srie

*

Lmina traseira (Tedlar)**

* EVA - acetato de vinil-etileno (Ethylene Vinyl Acetate)**

Caixa de JunoFonte: Centrotherm

-

A durabilidade das clulas e do mdulo est associada ao encapsulamento, pois


.

A vida til dos mdulos fotovoltaicos est na faixa de 25 a 30 anos.29

3.9 - Mdulos de silcio cristalino c o po cr s a no p-

Silcio monocristalino (m-Si)

www shreebalajienergy com/images

Fonte Goo le Ima es



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3.10 - Exemplos de mdulos de silcio - policristalinos e monocristalinos


Fonte: Solar-Fabrik AG

3.11 - Mdulos de filme fino -

Telureto de cdmio (CdTe)

Disseleneto de cobre e ndio (CIS)

Disseleneto de cobre, ndio e glio (CIGS)

Silcio micromorfo (a-Si/c-Si)



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4 - CARACTERSTICAS ELTRICAS DOS MDULOS FVAs caractersticas eltricas dos mdulos fotovoltaicos so medidas nascondies-padro para ensaio, STC (do ingls, StandardTestConditions).

4.1 - Condies-padro para ensaio (STC)

Temperatura de juno da clula: 25C

Irradincia total: 1.000 W/m2, normal superfcie de ensaio

Espectro solar para massa de ar igual a 1,5 (AM = 1,5)

4.2 - Principais caractersticas eltricas- As principais caractersticas das,

materiais utilizados, so:

OC -

fotovoltaico (clula, mdulo), sem carga (sada aberta), para valorespreestabelecidos de temperatura e irradincia total.

V


OC

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b) Corrente de Curto-Circuito (ISC) - corrente de sada de um conversoro ovo a co, na con o e cur o-c rcu o s or c rcu , para va ores

preestabelecidos de temperatura e irradincia total.

A ISC

c) Curva caracterstica - representao dos valores da corrente de sada de um- ,preestabelecidas de temperatura e de irradincia total.



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4.3 - Potncia Nominal de um Mdulo - PNOM

o valor de potncia que o mdulo fornece nas condies-padro de ensaio(STC) a potncia nominal do mdulo e corresponde ao Ponto de Potncia

MP .

A potncia nominal do mdulo (PMP, Pmax) especificada em Wp (watt-pico).

PNOM = Pmax = PMP = IMP xVMP (@ STC) Wp (watt-pico)

As principais caractersticas eltricasde um mdulo fotovoltaico, medidasnas STC, so indicadas na etiquetafixada no mdulo pelo fabricante.

, ,

IMP VMP ISC VOC


so testados para verificar esses valores

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ENERGI SOL R

FOTOVOLT ICOTOVOLT IC

r ga o

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