SESE A06 FV DispositivosConversao Arquivo

Sistemas de
Energia Solar e
Eólica
Professor: Jorge Andrés Cormane
Angarita
Dispositivos para a
Conversão Fotovoltaica
Sistemas de Energia Solar Fotovoltaica
2
Introdução
A energia solar pode ser convertida diretamente em
eletricidade com ajuda da tecnologia de células
fotovoltaicas
• Tecnologia em aplicações de pequeno porte
 Sistemas isolados
 Serviços
 Produtos de consumo
3
Historia
Prefixo indicativo de
“LUZ”
FOTOVOLTAICO
Do grego
“Photo”
Físico Italiano que inventou a
“PILHA ELÉTRICA“
4
Historia
Século XIX
Estudos sobre os fenômenos físicos que permitiam a
conversão da luz em energia elétrica
Século XX
Desenvolvimento da tecnologia dos semicondutores
e crescimento da indústria fotovoltaica
Século XXI
Popularização da tecnologia Fotovoltaica
5
Historia (Século XIX)
• 1839 – Alexandre Edmond Becquerel
 Descobriu que uma solução de um eletrólito exposta à
radiação luminosa, tem sua condutividade aumentada
• 1873 – Willoughby Smith
 Descobriu a fotocondutividade no selênio sólido.
• 1877 – William Grylls Adams e Richard Evans Day
 Observaram um comportamento similar na junção entre o
selênio sólido e a platina (outro tipo de semicondutor)
6
Historia (Século XX-XXI)
• 1905 – Albert Einstein (Nobel)
 Explicou o efeito fotoelétrico que tem uma relação estreita
com o efeito fotovoltaico
• 1970-1990
 Expansão da tecnologia no mercado mundial pelas
aplicações na indústria aeroespacial e militar
• >1990
 Utilizada para a geração de eletricidade de forma
distribuída em unidades consumidoras isoladas e
interligadas à rede
7
Efeito Fotovoltaico
Fenômeno físico que permite a conversão direta da
energia contida nos fótons (radiação luminosa) em
eletricidade
Absorção da energia
contida nos fótons
presentes na
radiação Solar
Ocorre em certos
materiais
semicondutores
Quebra das ligações
químicas entre as
moléculas
8
Efeito Fotovoltaico
Camada N
• tipo doador
• densidade de carga negativa
• produção de elétrons livres
Junção P-N
• região na qual cria-se um
campo elétrico para o fluxo das
cargas
Camada P
• tipo receptor
• densidade de carga positiva
• produção de lacunas
9
Efeito Fotovoltaico
A energia do fóton é dada pela expressão
1eV   1,602 1019  J 
A energia necessária para fazer os elétrons mudarem de banda é chamada
energia de gap (Eg) e depende do tipo do material utilizado
10
Efeito Fotovoltaico
E f  Eg
 Liberação do elétron da
banda de valência
 Deslocamento das cargas
através da junção
 Geração de portadores de
carga (par elétron-lacuna)
 Extração forçada das
cargas (circuito elétrico)
11
Efeito Fotovoltaico
• Animação
 Source:
http://nanosense.org/activities/cleanenergy/solarcellanimatio
n.html
12
Células Fotovoltaicas
A maioria das células fotovoltaicas disponíveis
comercialmente utilizam Silício como material
semicondutor para a sua fabricação
• material abundante e barato
• tecnologia de tratamento aperfeiçoada
• encontradas comumente no mercado
 Silício monocristalino
 Silício policristalino
 Silicio amorfo
13
Células Fotovoltaicas
Existem novos materiais (alguns ainda em estudo) e
outros em escala reduzida de comercialização (são
mais caros)
• material orgânico
• material plástico
14
Células Fotovoltaicas
• Características construtivas das células




área: 50 ~ 150 cm2
espessura: 0,2 ~ 0,3 mm
forma: circular ou quadrada
aparência: azul-escuro ou preto com raias cinzas
15
Células Fotovoltaicas
• Características operacionais das células
 máxima potência: em condições de 1000 W/m2 @ 25ºC
 corrente de operação: 32 mA/cm2
 tensão de operação: 0,46~0,48 V
16
Circuito Equivalente Ideal
É possível representar a célula fotovoltaica a partir de
um circuito elétrico
• Aplicando a lei de Kirchhoff
I  IL  Id




1
IL - corrente fotogerada
Id - corrente do diodo
I - corrente de saída
V - tensão aplicada aos terminais do diodo
17
Circuito Equivalente Ideal
• A corrente que flui através do diodo

I d  I o e






eV
mkTc

 1

 2
Io - corrente de saturação reversa
e- - carga do elétron (1,602x10-19 C)
k - constante de Boltzmann (1,381x10-23 J/K)
Tc - temperatura de operação (298,15 K ~ 25 °C)
m - fator idealidade do diodo (entre 1 e 2 para Simonocristalino)
18
Circuito Equivalente Ideal
Substituindo (2) em (1) tem-se a corrente da célula
fotovoltaica, em função da tensão

I  I L  I o e

eV
mkTc

 1

 3
19
Circuito Equivalente Ideal
• Condição de curto-circuito (V=0)

I  I L  I o e

eV
mkTc

 1

 3
I  I L  I sc  I L
A corrente do dispositivo é a corrente fotogerada
20
Circuito Equivalente Ideal
• Condição de circuito-aberto (I=0)

I  I L  I o e

eV
mkTc

 1

 3
mkTc  I L 
mkTc  I L 
I L Io
V   ln   1  Voc   ln  
e
e
 Io 
 Io 
A tensão aumenta com a corrente fotogerada e diminui com a temperatura
21
Circuito Equivalente Real
Nesse circuito são levadas em consideração as
perdas resistivas decorrentes
• Processo de conversão fotovoltaica
 Resistência paralelo
 Efeito das correntes parasitas produzidas nas bordas da
célula e nas irregularidades ou impurezas do material
• Transmissão da corrente fotogerada
 Resistência série
 Perdas ôhmicas do material, das metalizações e do
contato metal-semicondutor
22
Circuito Equivalente Real
• Aplicando a lei de Kirchhoff
I  I L  Id  I p




1
Rs – resistência em série
Rp – resistência em paralelo
Ip – corrente parasita
Vd – tensão do diodo
23
Circuito Equivalente Real
• A tensão aplicada e a corrente que flui através do
diodo
 emkTVdc 
I d  I o e  1



Vd  V  IRs
 3
V  IRs
Ip 
Rp
 4
 2
24
Circuito Equivalente Real
Substituindo (2), (3) e (4) em (1) tem-se a corrente da
célula fotovoltaica, em função da tensão

I  I L  I o e

eVd
mkTc
 V  IRs
 1 
Rp

 5
25
Análise de Desempenho
• Curva I-V
 representação dos valores da corrente de saída de um
conversor fotovoltaico em função da tensão, para
condições preestabelecidas de temperatura e radiação
 permite identificar os parâmetros que determinam o
desempenho da célula Solar
26
Análise de Desempenho
Tensão de
circuito aberto
Corrente de
curto-circuito
Tensão e Corrente
de máxima potência
Ponto de máxima
potência
27
Curva I-V vs. Irradiância
Pouca variação da tensão
28
Curva I-V vs.
Temperatura
Pouca variação da corrente
29
Formas de Interligação
São usadas interligações série/paralelo para obter os níveis das
tensões e correntes de operação
30
Análise de Desempenho
• Curva P-V
 corresponde à potência instantânea obtida através do
produto tensão-corrente
 (Isc,0) e (0,Voc) não há transferência de potência
 Si-mono (0,5~0,7V)
 Si-amorfo (0,6~0,9V)
Vmp   0, 75  0,90   Voc
I mp   0,85  0,95  I sc
No ponto (Imp,Vmp) ocorre a máxima transferência de
potência da célula para a carga
31
Análise de Desempenho
Máxima Transferência
de Potência
Transferência de
Potência Nula
Transferência de
Potência Nula
32
Fator de Preenchimento
ou de Forma (Fill factor)
• Definição
 Figura de mérito que define o quão próximo a curva I-V
real está da curva idealizada
• Interpretação matemática
 Razão entre a potência máxima e o produto da corrente
de curto-circuito e a tensão de circuito aberto
FF 
I mp  Vmp
I sc  Voc
33
Fator de Preenchimento
ou de Forma (Fill factor)
• Interpretação gráfica
 Razão das áreas dos retângulos definidos pelos vértices
(Isc,0) e (0,Voc), e os vértices (Imp,0) e (0,Vmp).
• Valores de Referência
 0,6 a 0,85 Si-mono
 0,5 a 0,7 Si-amorfo
34
Eficiência
• Definição
 Razão entre a máxima potência elétrica gerada pelo
dispositivo e a potência nele incidente
Limitações tecnológicas
e perdas inerentes ao
processo de conversão

Pgerada
Pincidente

Condição
Ideal
Pmp
A H

Área do
plano da célula
FF  Voc  I sc 
A 1000
Irradiância Ideal
no plano da célula
35
Eficiência
36
Valores referentes a testes de laboratório ao longo de 45 anos
37
Gerador Fotovoltaico
• Definição
 Qualquer dispositivo capaz de converter energia Solar em
eletricidade por meio do efeito fotovoltaico
38
Geradores Fotovoltaicos
Conjunto
de células
Dispositivo
básico
Conjunto de
módulos
Conjunto
de painéis
Em muitos dos casos, módulo, painel e arranjo têm o mesmo
significado e são usados indistintamente na literatura
39
Módulos Fotovoltaicos
• Características construtivas





Encapsulamento para isolamento e proteção das células
Estrutura metálica para aumentar a rigidez mecânica
Tipicamente contém 36, 54 ou 60 células
Terminais de conexão externas
Tamanhos de acordo com a aplicação
Tipo de gerador fotovoltaico com maior presença no mercado
40
41
Módulos Fotovoltaicos
• Características operacionais




Tensões típicas 12, 24 ou 48 V
Silício cristalino apresentam correntes ~ 8 A
Filme fino apresentam correntes ~ 2 A
Potências de acordo com a aplicação
Tipo de gerador fotovoltaico com maior presença no mercado
42
Módulos Fotovoltaicos
• Exemplo 1
Calcular o número de células necessárias em um módulo
fotovoltaico para carregar uma bateria de 12 V, até uma tensão
máxima em torno de 14 V.




Célula de Si-mono
Voc(célula) = 0,6 V
Vmp(célula) = 0,47 V
Perdas (cabos elétricos e por temperatura) = 2 a 3 V
43
Módulos Fotovoltaicos
• Exemplo 1 (Solução)
Será necessário dispor de um módulo que forneça uma tensão
de, pelo menos, 16 a 17 V no ponto de máxima potência.
16  17
Vmp  módulo  
 16,5 V
2
Vmp  célula   0, 47 V
Vmp  módulo 
16,5
Ns 

 36 células em série
Vmp  célula  0, 47
44
Módulos Fotovoltaicos
• Exemplo 2
Estimar as características elétricas de máxima potência de um
módulo, cujos dados de placa se apagaram com o tempo e a
única informação disponível é




Número de células em série: 72
tecnologia: Si-poli
geometria das células: aproximadamente quadradas
lado da célula: 12,5 cm
45
Módulos Fotovoltaicos
• Exemplo 2 (Solução)
Aplica-se um procedimento prático para responder a questão
N s  célula   72
Vmp  célula   0, 46 0, 48 V
I mp  célula   32 mA cm2
área  célula   12,5 12,5  156 cm2
46
Módulos Fotovoltaicos
• Exemplo 2 (Solução)
Aplica-se um procedimento prático para responder a questão
Vmp  módulo   72  0, 46 0, 48 V  16,6 17,3 V
I mp  módulo   32 156  5 A
Pmp  módulo   Vmp  I mp  16,6 17,3  5  83 86,5 W
47
Processo de Fabricação
Etapa 1
Etapa 2
Etapa 3
•Purificação do material
•Fabricação da célula
•Fabricação do módulo
48
Processo de Fabricação
1. Purificação do material
 Para está aplicação, o silício é extraído do mineral quartzo
O Brasil é um dos principais produtores mundiais do minério, embora
nenhum dos processos citados seja executado pela indústria nacional
49
Processo de Fabricação
2. Fabricação do célula
50
Processo de Fabricação
3. Fabricação do módulo
51
Processo de Fabricação
• Silício monocristalino
 Custo de produção mais elevado
 O aspecto é uniforme e azulado escuro ou preto
 Disponíveis em módulos
52
Processo de Fabricação
• Silício policristalino
 Custo de produção mais elevado mais barato
 O aspecto é heterogêneo de cor azul
 Disponíveis em módulos
53
Processo de Fabricação
• Silício amorfo e Filme fino
54
Processo de Fabricação
• Silício amorfo e Filme fino
 Processo de fabricação mais barato e simples
 Podem ser fabricados sem restrição de tamanho
 Sofrem degradação de maneira mais acelerada
Não existe diferencia entre célula e módulo
55
Processo de Fabricação
• Silício amorfo e Filme fino
56
57
E f  Eg
1
I  IL  Id  I p
FF 


I d  I o e  1  2 


Vd  V  IRs  3
eVd
mkTc
V  IRs
Ip 
Rp

 4

 e Vd  V  IRs
I  I L  I o e mkTc  1 
Rp



 V  IRs
I  I L  I o e
 1 
Rp


V 0
I  I L  I sc  I L
eVd
N s mkTc
 5
 6
I 0

mkT  I
V   c ln  L  1
e
 Io 
mkT  I 
 Voc   c ln  L 
e
 Io 
IL
Io
I mp  Vmp
I sc  Voc
Pgerada
Pincidente

Vmp   0, 75  0,90   Voc
Pmp
A H

FF  Voc  I sc 
A 1000
I mp   0,85  0,95   I sc
16  17
 16,5 V
2
Vmp  célula   0, 47 V
Vmp  módulo  
Ns 
Vmp  módulo 
Vmp  célula 

16,5
 36 células em série
0, 47
N s  célula   72
área  célula   12,5 12,5  156 cm 2
I mp  célula   32 mA cm 2
Vmp  célula   0, 46 0, 48 V
I mp  módulo   32 156  5 A
Vmp  módulo   72   0, 46 0, 48 V  16, 6 17,3 V
Pmp  módulo   Vmp  I mp  16, 6 17,3  5  83 86,5 W
58
Efeito Fotovoltaico
Espectro da radiação solar e da energia contida em
cada fóton em função do comprimento de onda
E[eV]
Espectro de radiação Solar
Energia do fóton - Ef
1,1
λ[μm]
A energia necessária para fazer os elétrons mudarem de banda é chamada
energia de gap (Eg) e depende do tipo do material utilizado
59
Efeito Fotovoltaico
• Se Ef>Eg
 Absorção de energia do
fóton
 Liberação do elétron da
banda de valência
 Rápida recombinação
 Retorno ao estado inicial
de não condução
A energia necessária para fazer os elétrons mudarem de banda é chamada
energia de gap (Eg) e depende do tipo do material utilizado
60
Curvas I-V e P-V
• A curva I-V
 representação dos valores da corrente de saída de um
conversor fotovoltaico em função da tensão, para
condições preestabelecidas de temperatura e radiação
61
Circuito Equivalente Real
• No caso de um modulo fotovoltaico com apenas
células conectadas em série, tem se (6)

I  I L  I o e

eVd
N s mkTc
 V  IRs
 1 
Rp

 6
 Ns – número de células conectadas em série
62