SESE A06 FV DispositivosConversao Arquivo
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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 1eV 1,602 1019 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 eV 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 eV mkTc 1 3 19 Circuito Equivalente Ideal • Condição de curto-circuito (V=0) I I L I o e eV 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 eV 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 eVd 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 eVd 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 eVd 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 eVd N s mkTc V IRs 1 Rp 6 Ns – número de células conectadas em série 62
