- Eventos UFT

11 a 14 de dezembro de 2012 – Campus de Palmas
Automatização e Teste de um Sistema de Caracterização Elétrica Corrente ×
Tensão (I×V) para Dispositivos Fotovoltaicos
B. C. Lima1; N. M. Sotomayor2.
1
Aluno do Curso de Física; Campus de Araguaína; e-mail: [email protected]; PIBIC/CNPq.
Orientador do Curso de Física; Campus de Araguaína; e-mail: [email protected]
2
RESUMO
Neste trabalho é apresentada a metodologia empregada para o controle automático de um sistema de
caracterização elétrica corrente em função da tensão para células solares. Células solares são
dispositivos capazes de converter a radiação solar em energia elétrica através do efeito fotovoltaico. A
caracterização elétrica de um dispositivo fotovoltaico consiste na obtenção de seus principais
parâmetros de funcionamento elétrico a partir de sua curva I V . Para a obtenção destes parâmetros
foram utilizadas uma fonte de tensão programável modelo Agilent E3645A e um eletrômetro digital
modelo Keithley 6514, os quais estão conectados a um microcomputador via cabos GPIB1 e GPIBUSB2. Através do protocolo VISA disponível no software LabVIEW e de comandos no padrão SCPI
(Comandos Padronizados para Instrumentação Programável) foi realizado o controle automático destes
instrumentos por um microcomputador. Para a realização dos testes neste sistema, foi utilizado como
dispositivo fotovoltaico uma junção p  n de um transistor de potência 2N3773. As curvas corrente
versus tensão foram obtidas com e sem a presença de iluminação. Os principais parâmetros elétricos
deste dispositivo foram calculados graficamente, por um código em linguagem gráfica, o qual foi
elaborado no software LabVIEW tendo como base a teoria de caracterização elétrica de dispositivos
fotovoltaicos.
Palavras-chave: células solares; labview; instrumentação; junções
; curva
.
INTRODUÇÃO
Atualmente os dispositivos fotovoltaicos tem se tornado uma alternativa atrativa para geração
de energia pela sua capacidade em converter a radiação solar em energia elétrica. Basicamente as
células solares são diodos com sua estrutura interna exposta à iluminação. Estes dispositivos podem
ser formados pela junção de dois materiais com condutividade intermediaria chamados
semicondutores, nos quais são acrescentadas impurezas através do processo de dopagem, assim a
junção é formada por um semicondutor dopado do tipo p (onde há falta de elétrons) e outro tipo n
(excesso de elétrons), formando o que é conhecido como uma junção p-n [1, 2]. Quando este
1
2
General Purpose Interface Bus – GPIB. É um barramento padrão de comunicação digital.
Cabo cuja as extremidades são mistas, com a função de converter do padrão GPIB para USB (Universal Serial Bus).
11 a 14 de dezembro de 2012 – Campus de Palmas
dispositivo é iluminado, os fótons fornecem energia suficiente para que os elétrons da banda de
valência migrem para a banda de condução, deixando um buraco (carga positiva) no seu local de
origem, após migrarem, os elétrons da banda de condução se conduzem para a região de menor energia
potencial, gerando assim uma diferença de potencial nas extremidades do dispositivo, a qual pode ser
utilizada em um determinado circuito elétrico.
Neste trabalho será descrita a metodologia empregada para a automatização de um sistema de
caracterização elétrica I V . Primeiramente será feita a descrição do circuito elétrico interno de uma
célula solar, para então, obter-se a equação para a corrente elétrica fornecida pelo dispositivo em
função da tensão aplicada sobre ele. Posteriormente serão descritos os dispositivos e softwares
utilizados. Após isto, é exposta a metodologia empregada para a automatização do sistema de
caracterização elétrica através do software LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering
Workbench), e finalizando, será apresentado os parâmetros elétricos obtidos durante os últimos testes
realizados no sistema montado.
TEORIA DE CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA
O circuito elétrico interno de uma célula solar pode ser aproximado como uma fonte de tensão
em paralelo com um diodo assim como mostrado na figura 1. A este circuito são inseridas duas
resistências, uma em série ( RS ) equivalente às resistências dos contatos elétricos, e outra em paralelo
( RP ) que representa a perda de corrente elétrica gerada pelo efeito fotovoltaico. Para o caso de uma
célula solar ideal a RS  0 e RP   .
Figura 1 Circuito elétrico interno aproximado de uma célula solar.
A corrente total
fornecida pelo dispositivo fotovoltaico é dada pela equação 1, onde
corrente gerada pelo efeito fotovoltaico,
terminais do diodo,
do diodo,
é a corrente que passa pelo diodo [1],
é a corrente que passa pela resistência em paralelo,
é a tensão nos
é a corrente de saturação
é a tensão medida nas extremidades do dispositivo fotovoltaico,
constante de Boltzmann,
é a carga elementar e
éa
é a temperatura em Kelvin.
éa
11 a 14 de dezembro de 2012 – Campus de Palmas
A partir desta equação podemos determinar os principais parâmetros elétricos de
funcionamento de uma célula solar. Neste trabalho todos os parâmetros elétricos foram determinados
após a obtenção da curva
. A corrente de curto circuito
, que representa o valor máximo de
corrente que pode ser extraída do dispositivo, ocorre quando a tensão nas extremidades da célula solar
é igual a zero. A tensão de circuito aberto
, a tensão máxima que pode ser extraída do dispositivo, é
medida quando a corrente fornecida pelo dispositivo é nula. Observa-se que para estes dois parâmetros
a potência do dispositivo é nula, mas eles são utilizados para o calculo da potência teórica
. A potência máxima fornecida pela célula solar
curva
, é o ponto de maior valor ao longo da
. Outro parâmetro a ser determinado é o fator de preenchimento
determina a qualidade e, o quanto a curva
resistência em série
do diodo
, que
se aproxima da ideal. Por ultimo são determinadas as
[2, 3] e em paralelo
e a corrente gerada pelo efeito fotovoltaico
[3, 4], a corrente de saturação
.
DISPOSITIVOS E SOFTWARES UTILIZADOS
Durante a caracterização elétrica de células solares é necessário determinar a curva
deste
dispositivo. Para isso foi montada a estrutura esquematizada na figura 2.
Figura 2 Esquema da estrutura montada. Um transistor de potência é utilizado como célula solar (b), o qual é
iluminado por um retroprojetor (a). Os instrumentos de medida são controlados por um microcomputado (d).
Para a aquisição destes dados foram utilizados dois instrumentos programáveis, uma fonte de
tensão Agilent E3645A e um eletrômetro Keithley 6514, figura 2 (c). Através de um cabo GPIB e um
11 a 14 de dezembro de 2012 – Campus de Palmas
GPIB-USB estes instrumentos de medida estão conectados a um microcomputador, figura 2 (d), o qual
possui instalado o software LabVIEW – 2010. Através deste software foi elaborado um programa em
linguagem gráfica para controlar a aquisição das curvas
, os comandos utilizados para o controle
destes instrumentos estão no formato SCPI (standard commands for programmable instruments –
Comandos Padronizados para Instrumentação Programável). Como dispositivo fotovoltaico, foi
utilizada a junção n-p de um transistor de potencia 2N3773 de junção
[2]. A iluminação do
dispositivo é feita por um retroprojetor (a) e em (b) é apresentado os contatos elétricos realizados
diretamente no dispositivo fotovoltaico.
SOFTWARE UTILIZADO PARA A AQUISIÇÃO DA CURVA
.
O software elaborado em linguagem gráfica, segue o seguinte algoritmo: 1 – Identificação dos
instrumentos; 2 – Configuração do eletrômetro e da fonte de tensão; 3 – Realização das medidas de
corrente
em função da tensão aplicada
negativos e realiza-se o gráfico
, a partir de
, até que a corrente assuma valores
em tempo real; 4 – Configura a tensão para
; 5 – Calcula
os parâmetros elétricos; 6 – Grava em disco os dados de corrente, tensão e potência; 7 – Imprime-se os
parâmetros elétricos e é realizado o gráfico
gráfico da esquerda apresenta a curva
. A interface do usuário é apresentada na figura 3, o
realizada em tempo real, e o da direita a curva
. Os
parâmetros elétricos estão indicados em baixo.
Figura 3 Interface gráfica de utilização do usuário.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com o aprendizado dos comandos no formato SCPI foi possível realizar a automatização do
sistema mesmo sem a presença dos drivers para os instrumentos. Foram feitos vários testes do sistema
11 a 14 de dezembro de 2012 – Campus de Palmas
de caracterização elétrica, para verificação da precisão dos parâmetros obtidos, aperfeiçoamento
gráfico e de facilitação de uso do software. Nesta seção serão apresentados os resultados dos últimos
testes do sistema realizados com o transistor de potência. A tabela abaixo apresenta os principais
parâmetros elétricos obtidos.
Parâmetro
Valor
Parâmetro
Valor
Corrente de curto circuito
1,122 x 10-4
Fator de Preenchimento
Tensão de Circuito aberto
4,2 x 10-1
Resistência série
4,8 x 104Ω
Potência teorica
5,1 x 10-5
Resistência em Paralelo
5,46 x 102Ω
Potência Máxima
3,518 x 10-5
Corrente de Saturação do diodo
Tensão de Máxima Potência
3,3 x 10-1
Corrente de Máxima Potência
1,066 x 10-4
Corrente gerada pelo efeito
fotovoltaico
68
2,85 x 10-7
1,21 x 10-4
Tabela 1 Principais parâmetros elétricos obtidos para o dispositivo fotovoltaico.
LITERATURA CITADA
[1]
SZE, S. M. Physics of Semiconductor Devices, John Wiley, New York, 1981.
[2]
AGILENT TECHNOLOGIES. I-V Curve Characterization in High-Power Solar Cells and
Modules. Application Note.
[3]
CHEKNANE, A., et al. An equivalent circuit approach to organic solar cell modelling.
Microelectronics Journal, v. 39 (2008) p. 1173–1180.
[4]
KUNZ, G; WAGNER, A. Internal series resistance determinated of only one IV-curve under
illumination. 19º European Photovoltaic Solar Energy Conference, Paris, França. 7 a 11 Junho de
2004. Nº 5BV.2.70, p. 1 - 4.
AGRADECIMENTOS
O presente trabalho foi realizado com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico – CNPq – Brasil, do Instituto Nacional de Eletrônica Orgânica – INEO, da Secretária
Estadual de Ciência e Tecnologia do Estado do Tocantins e do Prof. Dr. Alexsandro Silvestre da
Rocha, do Laboratório de Pesquisa em Materiais para Aplicações em Dispositivos Eletrônicos –
LABMADE e da Universidade Federal do Tocantins.