Colheita de energia fotovoltaica

TEEE:
Colheita de
Energia
Prof. Protásio
Laboratório de Microengenharia/DEE/CEAR/UFPB
Principais fontes de energia em EH
▪ Energia Solar
▪ Energia Vibracional Mecânica
▪ Energia Eletromagnética
▪ Energia Térmica
▪ Energia Acústica
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2
Introdução
▪ Energia Solar
▪ É a forma mais comum de energia utilizada em
colheita de energia
▪ Energia solar na superfície da terra
≈30% é refletida
diretamente pela
atmosfera
“Estima-se que a quantidade de
energia solar dissipada na terra
em 1 dia é igual a consumida em
energia elétrica em 1 ano”.
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Introdução
▪ Sistemas de colheita de energia solar, em
geral, são baseados em:
▪Células fotovoltaicas
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Introdução
▪ Células fotovoltaicas
▪ São dispositivos semicondutores baseados no efeito
fotovoltaico.
▪ Materiais mais utilizados na confecção de células
fotovoltaicas:
▪ Silício monocristalino (mono-Si)
▪ Eficiência da ordem de 18%, mas com custo maior
▪ Silício policristalino (poly-Si)
▪ Eficiência da ordem de 16% e com custo menor
▪ Silício amorfo (a-Si)
▪ Eficiência da ordem de 10% e com o menor custo
Eficiência de conversão:
Razão entre energia elétrica
gerada, 𝐸𝑒 , e a irradiação solar
que incide na área da célula, 𝐸𝐿 .
𝐸𝑒
𝜀=
𝐸𝐿
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Introdução
▪ Efeito fotovoltaico
▪ Efeito responsável pela conversão da energia luminosa
diretamente em energia elétrica
▪ Descoberto em 1839 pelo físico francês Edmund
Becquerel.
▪ Este efeito compreende 3 fenômenos físicos
simultâneos:
▪ Absorção da luz pelo material
▪ Transferência de energia de fótons para cargas elétricas
▪ Criação de corrente elétrica.
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Introdução
▪ Efeito fotovoltaico
▪ A luz ao incidir em um material pode sofrer os
seguintes efeitos:
▪ Reflexão:
▪ a luz é refletida pela superfície do material
▪ Refracção:
▪ a luz atravessa o material
▪ Absorção:
▪ a luz penetra no material e pode ser convertida em outra forma
▪ É na absorção que o efeito fotovoltaico é
aproveitado.
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Introdução
▪ Efeito fotovoltaico
▪ Transferência de energia de fótons para cargas
elétricas e criação de corrente eléctrica
▪ Células fotovoltaicas são feitas de materiais semicondutores (em geral, silício)
dopados com impurezas que, quando sua junção PN é exposta a luz, ocorre
formação de pares elétrons-lacunas propiciando a geração de corrente e tensão
elétrica.
Semicondutor
Tipo-N
0,5V
Semicondutor
Tipo-P
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Introdução
▪ Densidade de potência da luz solar
▪ Em ambiente externos:
▪ Até 100mW/ cm2
▪ Em ambientes internos:
▪ Até 100μW/cm2
▪ Como a eficiência das células fotovoltaicas
são da ordem de 10 a 20%, então
▪ Em ambiente externos:
▪ Até 20mW/ cm2
▪ Em ambientes internos:
▪ Até 20μW/cm2
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Exemplo de um nó sensor com EH solar
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Atividade 1
▪ Avaliar a potência elétrica gerada por um
transistor 2N3055 operando como célula
fotovoltaica.
▪ Realização do experimento:
https://www.youtube.com/watch?v=526xslmO6Ds
P
I
R
V
Considerar
diferentes
intensidade
luminosas
R
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Atividade 2
▪ Avaliar a potência elétrica gerada por
células fotovoltaicas.
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Colheita de energia fotovoltaica
(Photovoltaic Energy Harvesting)
▪ Para aplicações eletrônicas outdoors,
tecnologias fotovoltaicas são a primeira
alternativas para ser fonte de alimentação.
▪ Outdoors
▪ Dia ensolarado  100mW/cm2
▪ Dia nublado  10mW/cm2 a 0,5mW/cm2
▪ Obs.:
▪ Indoors: 10µW/cm2
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Eficiência
▪ Entre 5% a 20%
▪ Assim, no melhor caso:
▪ Outdoors
▪ Dia ensolarado  20mW/cm2
▪ Dia nublado  2mW/cm2
▪ Exemplo:
▪ Painel Solar Fotovoltaico Policristalino de 10W Komaes Solar – KM(P)10:
▪ Dimensões: 310 x 290 (mm)
▪ Certificado pelo INMETRO, eficiência: 9,1%
▪ Densidade de potência calculada: 11,1 mW/cm2
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ A densidade de potência apresentada por
células solares em ambientes outdoors
excedem outras tecnologias de EH em
várias ordem de grandezas.
▪ OBS: em indoors, os valores são bem menores,
mas podem ser utilizados para alimentação de
nós sensores.
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Materiais semicondutores
▪ Em zero absoluto (0K)
▪ Banda de valência
▪ Completamente ocupada por elétrons
▪ Banda de condução
▪ Desocupada
Banda de condução
Bandgap = banda proibida
Não há fluxo de
elétrons, ou seja,
não há corrente
elétrica
Banda de valência
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Materiais semicondutores
▪ Acima de 0K
▪ Alguns elétrons ganham energia (energia térmica)
suficiente para atravessar a banda proibida.
▪ Elétrons aparecem na banda de condução
Banda de condução
Elétrons
Bandgap = banda proibida
Banda de valência
Lacunas
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Materiais semicondutores
▪ Acima de 0K
▪ Alguns elétrons ganham energia (energia térmica)
suficiente para atravessar a banda proibida.
▪ Elétrons aparecem na banda de condução
▪ Aplicando uma DDP no material, uma corrente é formada = fluxo
de elétrons e fluxo de lacunas.
Banda de condução
Fluxo de Elétrons
V+
Bandgap = banda proibida
Banda de valência
V-
Fluxo de Lacunas
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Materiais semicondutores
▪ Na temperatura ambiente
▪ Em materiais semicondutores puros (intrínsecos):
▪ A concentração de portadores de cargas (elétrons livres e
lacunas) é relativamente baixa
▪ Assim, a resistência elétrica é muito alta e a corrente
produzida com a aplicação da DDP é baixa.
Banda de condução
Fluxo de Elétrons
V+
Bandgap = banda proibida
Banda de valência
V-
Fluxo de Lacunas
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Materiais semicondutores
▪ Para aumentar a condutividade, artificialmente
é possível aumentar a concentração de
portadores adicionando impurezas.
▪ Esse processo é conhecido como dopagem.
▪ O material dopado é conhecido por extrínseco.
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Materiais semicondutores tipo-N
▪ Dopa-se o material semicondutor intrínseco
(grupo IV) com elementos do grupo V
▪ 5 elétrons na última camada (camada de valência).
▪ Exemplo: fósforo
▪ Tem-se 1 elétron extra para cada impureza (DOADORES)
▪ O material então aumenta a concentração de elétrons
livres
Banda de condução
Fluxo de Elétrons
V+
Bandgap = banda proibida
Banda de valência
V-
Fluxo de Lacunas
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Materiais semicondutores tipo-P
▪ Dopa-se o material semicondutor intrínseco
(grupo IV) com elementos do grupo III
▪ 3 elétrons na camada de valência.
▪ Exemplo: boro
▪ Tem-se 1 lacuna extra para cada impureza (RECEPTORAS)
▪ O material então aumenta a concentração de lacunas
livres
Banda de condução
Fluxo de Elétrons
V+
Bandgap = banda proibida
Banda de valência
V-
Fluxo de Lacunas
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Fotocondutividade
▪ Em um material extrínseco (semicondutor com
impureza):
▪ Com a absorção de fótons com energia maior que
BandGap, ocorre a formação de pares elétronslacuna que:
▪ Momentaneamente, aumenta a condutividade
▪ Mas, em pouco tempo, o elétron
perde energia e emite um
phonon (fóton de baixa energia),
devido a Recombinação
▪ Fotocondutividade é usada
para detecção de luz e não
é usada para geração de
energia
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Banda de condução
Bandgap = banda proibida
Banda de valência
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Para geração de eletricidade: é preciso
separar fisicamente:
▪ Elétrons na banda de condução de
▪ Lacunas na banda de valência.
▪ Para isso, é preciso formar junções de
materiais tipo-N e tipo-P
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Junção PN
▪ Quando a junção é formada, um conjunto de
condições de desequilíbrio é criado:
▪ Região N (dopagem com material extrínseco do tipo N)
▪ Alta concentração de elétrons livres.
▪ Região P (dopagem com material extrínseco do tipo P)
▪ Alta concentração de lacunas móveis
+++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++
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------------------------------------------------------------------------------------------------
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Junção PN
▪ Região N
▪ Por difusão, elétrons livres  lado P
▪ Deixando Íons positivos (ɸ)
▪ Região P
▪ Por difusão, lacunas livres  lado N
▪ Deixando Íons negativos (Θ)
++++++++++++++++++ΘΘ
++++++++++++++++++ΘΘ
++++++++++++++++++ΘΘ
++++++++++++++++++ΘΘ
++++++++++++++++++ΘΘ
ɸɸ-----------------ɸɸ-----------------ɸɸ-----------------ɸɸ-----------------ɸɸ------------------
Correntes de difusão
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Junção PN
▪ As regiões ionizadas formam regiões de cargas que
são depletadas de portadores livres.
▪ Região de depleção ou região de carga espacial
▪ Formação de campo elétrico E
▪ Em um certo momento, ocorrerá uma situação de
equilíbrio e ter-se-á uma diferença de potencial criada
na junção (barreira de potencial).
E
++++++++++++++++++ΘΘ
++++++++++++++++++ΘΘ
++++++++++++++++++ΘΘ
++++++++++++++++++ΘΘ
++++++++++++++++++ΘΘ
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ɸɸ-----------------ɸɸ-----------------ɸɸ-----------------ɸɸ-----------------ɸɸ-----------------27
Colheita de energia fotovoltaica
▪ Junção PN em equilíbrio
Com o surgimento de E, ocorre a criação de correntes de
deriva que, no equilíbrio, são iguais às correntes de difusão.
No desenho, as áreas de depleção em N e P são diferentes,
pois considerou-se as densidades diferentes. Neste caso:
E
NA = Densidade de impurezas aceitadoras (em P)
ND = Densidade de impurezas doadoras (em N)
𝑁𝐴 > 𝑁𝐷
A tensão interna (barreira de potencial) ∅0 é dada por:
∅0 = ∅ 𝑇 𝑙𝑛
𝑁𝐴 𝑁𝐷
𝑛𝑖
2
em que ∅ 𝑇 é a tensão térmica e 𝑛𝑖 é a concentração de
portadores intrínsecos (cristal puro).
𝑘𝑇
∅𝑇 =
= 26𝑚𝑉 𝑒𝑚 300𝐾
𝑞
Em que, k = constante de Boltzmann e T = temperatura em
Kelvin.
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Junção PN em equilíbrio
▪ Exemplo:
▪ Sendo
E
▪ NA = 1016 átomos/cm3
▪ ND = 1015 átomos/cm3
▪ e 𝑛𝑖 = 1,5 ·1010cm-3 em
300K para o silício.
▪ Então a barreira de
potencial em 300K será:
1015 ∙ 1016
∅0 = 26𝑙𝑛
2,25 ∙ 1020
𝑚𝑉
∅0 = 638mV ≈ 0,6V
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Junção PN
▪ Aplicação de uma tensão externa direta
▪ Junção polarizada diretamente:
▪ Ocorre um aumento da corrente direta
V+
++++++++++ΘΘ ɸ ɸ - - - - - - - - ++++++++++ΘΘ ɸ ɸ - - - - - - - - ++++++++++ΘΘ
ɸɸ--------Corrente Direta
++++++++++ΘΘ ɸ ɸ - - - - - - - - ++++++++++ΘΘ ɸ ɸ - - - - - - - - -
P
N
V-
Diodo
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Junção PN
▪ Aplicação de uma tensão externa reversa
▪ Junção polarizada reversamente:
▪ Ocorre um aumento da barreira de potencial
▪ Somente uma baixíssima corrente de deriva (≈ 0)
▪ Corrente de difusão: diminuída exponencialmente com o aumento de V (praticamente zero)
▪ Corrente de deriva: baixíssima, pois é limitada pela deriva de portadores minoritários.
V-
+++++++ΘΘΘΘ
+++++++ΘΘΘΘ
+++++++ΘΘΘΘ
+++++++ΘΘΘΘ
+++++++ΘΘΘΘ
P
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ɸɸɸɸ-----ɸɸɸɸ-----ɸɸɸɸ-----ɸɸɸɸ-----ɸɸɸɸ------
N
V+
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Polarização direta e reversa
R
+
-
R
ID
ON
+
-
OFF
▪ A junção PN (diodo) tem um comportamento retificador
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Modelo de um diodo ideal
▪ Considerando a aplicação de uma tensão V no
diodo, a corrente do diodo Id é
𝐼𝑑 = 𝐼0 (𝑒 𝑞𝑉
𝑘𝑇
− 1) = 𝐼0 (𝑒 𝑉
26𝑚𝑉
− 1)
▪ em que 𝐼0 = corrente de saturação reversa e
depende das dimensões e do nível de
dopagem
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Curva característica do diodo
𝐼𝑑 = 𝐼0 (𝑒 𝑞𝑉
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𝑘𝑇
− 1)
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Célula solar
▪ A célula solar é simplesmente uma junção PN,
ou seja, tem o comportamento de um diodo
▪ Se luz é aplicada na junção PN, ocorrerá:
▪ Formação de elétrons e lacunas fotogeradas e,
juntamente, com a diferença de potencial pode-se
formar um fluxo de corrente e uma tensão útil para
realizar trabalho.
++++++++++ΘΘ
++++++++++ΘΘ
++++++++++ΘΘ
++++++++++ΘΘ
++++++++++ΘΘ
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ɸɸ--------ɸɸ--------ɸɸ--------ɸɸ--------ɸɸ--------35
Colheita de energia fotovoltaica
▪ Célula solar
▪ Sem iluminação (dark condition)
▪ Corrente de deriva praticamente igual a corrente de saturação
reversa= baixíssima.
𝐼𝑑 = 𝐼0 (𝑒 𝑞𝑉
𝑘𝑇
− 1)
Mesmo
comportamento
do diodo
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Célula solar
▪ Com iluminação
▪ Luz é absorvida na junção PN criando-se portadores minoritários
(lacunas no material N e elétrons no material P)
▪ Estes portadores minoritários difundem pela região de depleção e são
levados pelos respectivos lados opostos da junção pelo campo elétrico
E da barreira de potencial, ocorrendo:
▪ Aumento da tensão interna
++++++++++ΘΘ
++++++++++ΘΘ
++++++++++ΘΘ
++++++++++ΘΘ
++++++++++ΘΘ
ɸɸ--------ɸɸ--------ɸɸ--------ɸɸ--------ɸɸ---------
E
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Célula solar
▪ Com iluminação
▪ Com a injeção de portadores minoritários devido a absorção de
fótons, a corrente de deriva é aumentada, então esta pode ser
incorporada à equação do diodo 𝐼𝑑 = 𝐼0 (𝑒 𝑞𝑉 𝑘𝑇 − 1) e é
denominada de corrente fotogerada, IL.
𝐼 = 𝐼𝑑 − 𝐼𝐿
𝐼 = 𝐼0 (𝑒 𝑞𝑉
𝑘𝑇
Sem iluminação
− 1) − 𝐼𝐿
▪ IL desloca a curva do diodo
para baixo.
Com iluminação
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Célula solar
▪ Com iluminação
▪ Em condição de circuito aberto, tem-se Voc
▪ Em condição de curto-circuito, tem-se Isc
▪ Ligando-se uma carga RL: extrai-se potência do dispositivo
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Circuito equivalente de uma Célula solar
𝐼 = 𝐼𝑑 − 𝐼𝐿
𝐼 = 𝐼0 (𝑒 𝑞𝑉
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𝑘𝑇
− 1) − 𝐼𝐿
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Cálculo da corrente de curto-circuito
▪ Em curto, V = 0, então:
𝐼 = 𝐼𝑆𝐶
𝐼𝑆𝐶 = 𝐼0 (𝑒 𝑞∙0 𝑘𝑇 − 1) −𝐼𝐿
𝐼𝑆𝐶 = 𝐼0 (1 − 1) −𝐼𝐿
𝐼𝑆𝐶 = 𝐼𝐿
▪ Ou seja, a corrente de curto-circuito é igual à corrente fotogerada
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Cálculo da tensão de circuito aberto
▪ Em circuito aberto, I = 0, então:
0 = 𝐼0 (𝑒 𝑞𝑉𝑂𝐶 𝑘𝑇 − 1) −𝐼𝐿
𝐼𝐿 = 𝐼0 𝑒 𝑞𝑉𝑂𝐶 𝑘𝑇 − 1
𝐼𝐿
𝑒 𝑞𝑉𝑂𝐶 𝑘𝑇 =
+1
𝐼0
𝑞𝑉𝑂𝐶
𝐼𝐿
= ln
+1
𝑘𝑇
𝐼0
𝑘𝑇
𝐼𝐿 + 𝐼0
𝑉𝑂𝐶 =
ln
𝑞
𝐼0
𝑘𝑇
𝐼𝐿
𝑉𝑂𝐶 ≈
ln
𝑞
𝐼0
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Curva tradicional de uma célula solar
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Ponto de máxima potência
▪ Maximum Power Point (MPP)
▪ É o ponto (Vp,Ip) em que VI é máximo.
▪ O MPP é atingido pela variação da resistência de carga.
MPP
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Ponto de máxima potência
▪ Maximum Power Point (MPP)
▪ É o ponto (Vp,Ip) em que VI é máximo.
▪ O MPP é atingido pela variação da resistência de carga.
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Fato de preenchimento (fill factor) f
▪ Razão entre o retângulo de máxima potência
𝑉𝑝 , 𝐼𝑝 e o retângulo formado por Voc e Isc
f=
𝑉𝑝 𝐼𝑝
𝑉𝑜𝑐 𝐼𝑠𝑐
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Eficiência de conversão η
▪ Razão entre a máxima potência gerada pela
célula, Pp, e a potência da luz incidente, Pi.
𝑃𝑝 𝑉𝑝 𝐼𝑝 𝑓𝑉𝑜𝑐 𝐼𝑠𝑐
η= =
=
𝑃𝑖
𝑃𝑖
𝑃𝑖
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Exemplos
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Variação das características de acordo
com a temperatura
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Colheita de energia fotovoltaica
▪ Curvas para ligação série ou paralela.
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