energia-solar-fotovoltaica trajano-viana parte 1
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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 -
Energia Solar Fotovoltaica - CEFET/RJ - Prof. Trajano Viana - Maro - 2014
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.
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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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Figuras: Google Images
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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
Figuras: Google Images
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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.
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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).
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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
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Planta fotovoltaica Sistemas com concentrador
Figuras: Google Images
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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.
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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
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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=
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2.9 - Atlas Brasileiro de Energia Solar
Modelo BRASIL-SR
- Mapas de irradiao global horizontal e inclinada (inclinao igual latitude)- Mapas sazonais e anuais-
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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
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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
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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
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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
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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
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,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
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3.7 - Do silcio clula fotovoltaica p-Si e m-Si
Si
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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
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.
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
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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
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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
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so testados para verificar esses valores
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ENERGI SOL R
FOTOVOLT ICOTOVOLT IC
r ga o
Prof. Dr. Trajano Vianara anov ana gma .com
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