curso - energia - solar - fotovoltaica - 1

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Energia Solar Fotovoltaica Guia Prático

Capítulo I: Introdução Capítulo I: Composição física e fabricação dos dispositivos fotovoltaicos Capitulo I: Conceitos elétricos Capítulo IV: Curvas características das células fotovoltaicas Capítulo V: Configuração de sistemas

Capítulo VI: Dimensionamento de sistemas de geração fotovoltaicos e de bancos de baterias

Capítulo VII: Ligações e dimensionamento de condutores e cabos Capítulo VIII: Instalação e manutenção Anexo I: Tabela de Radiação Solar

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I - Introdução

Um sistema de produção fotovoltaica é uma fonte de energia que, através da utilização de células fotovoltaicas, converte diretamente a energia luminosa em eletricidade.

Vantagens fundamentais:

Não consome combustível Não produz poluição nem contaminação ambiental É silencioso Tem uma vida útil superior a 20 anos É resistente a condições climáticas extremas (granizo, vento, temperatura e umidade) Não tem peças móveis e, portanto, exige pouca manutenção (só a limpeza do painel) Permite aumentar a potência instalada por meio da incorporação de módulos adicionais

Principais aplicações:

Geralmente é utilizado em zonas afastadas da rede de distribuição elétrica, podendo trabalhar de forma independente ou combinada com sistemas de produção elétrica convencional. Suas principais aplicações são:

Eletrificação rural: luz, TV, rádio, comunicações, bombeamento de água Eletrificação de cercas Iluminação exterior Sinalização Proteção catódica Náutica

Componentes do sistema:

1) Corrente contínua 12V:

Painéis ou módulos de células fotovoltaicas Suportes para os Painéis Controlador de carga de baterias Banco de baterias

Além dos elementos anteriores, entre as baterias e o consumidor será necessário instalar um inversor de corrente com potência adequada. O inversor converte a corrente contínua (DC) das baterias em corrente alternada (AC). A maioria dos eletrodomésticos utiliza a corrente alternada.

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I - Composição física e fabricação dos dispositivos fotovoltaicos

Efeito fotovoltaico

Os módulos são compostos de células solares de silício. Elas são semicondutoras de eletricidade porque o silício é um material com características intermédias entre um condutor e um isolante.

O silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui elétrons livres e portanto é um mau condutor elétrico. Para alterar isto acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com elétrons livres ou material com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando boro ao invés de fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, déficit de elétrons ou material com cargas positivas livres (silício tipo P).

Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P (ver Figura 2).

Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras. Mas ao serem unidas, exatamente na união P-N, gera-se um campo elétrico devido aos elétrons do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P.

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Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons que a integram chocam-se com os elétrons da estrutura do silício dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado na união P-N, os elétrons são orientados e fluem da camada "P" para a camada "N".

Por meio de um condutor externo, conecta-se a camada negativa à positiva. Gera-se assim um fluxo de elétrons (corrente elétrica) na conexão. Enquanto a luz continuar a incidir na célula, o fluxo de elétrons se manterá. A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente.

Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Como se viu anteriormente, ao unir-se a camada negativa de uma célula com a positiva da seguinte, os elétrons fluem através dos condutores de uma célula para a outra. Este fluxo repete-se até chegar à última célula do módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria.

Cada elétron que abandona o módulo é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexão entre módulo e bateria contém o fluxo, de modo que quando um elétron abandona a última célula do módulo e encaminha-se para a bateria outro elétron entra na primeira célula a partir da bateria.

É por isso que se considera inesgotável um dispositivo fotovoltaico. Produz energia elétrica em resposta à energia luminosa que entra no mesmo.

Deve-se esclarecer, entretanto, que uma célula fotovoltaica não pode armazenar energia elétrica.

Tipos de células: Existem basicamente três tipos de células, conforme o método de fabricação:

Silício monocristalino: Estas células obtêm-se a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas finas (0,4-0,5 m de espessura). A sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é superior a 12%.

Fig. 2

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Silício policristalino: Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é ligeiramente menor do que nas de silício monocristalino.

Filme Fino ou Silício amorfo: Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício ou outros materiais semicondutores sobre superfícies de vidro ou metal. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade varia entre 5% e 7%.

Fabricação dos módulos fotovoltaicos

O módulo fotovoltaico é composto por células individuais conectadas em série. Este tipo de conexão permite adicionar tensões. A tensão nominal do módulo será igual ao produto do número de células que o compõem pela tensão de cada célula (aprox. 0,5 Volt). Geralmente produzem-se módulos formados por 30, 32, 3 e 36 células em série, conforme a aplicação requerida.

Procura-se dar ao módulo rigidez na sua estrutura, isolamento elétrico e resistência aos fatores climáticos. Por isso, as células conectadas em série são encapsuladas num plástico elástico (Etilvinilacetato-EVA) que faz também o papel de isolante elétrico, um vidro temperado com baixo conteúdo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plástica multicamada (Poliéster) na face posterior. Em alguns casos o vidro é substituído por uma lâmina de material plástico transparente.

O módulo tem uma moldura composta de alumínio ou poliuretano e caixas de conexões às quais chegam os terminais positivo e negativo da série de células. Nos bornes das caixas conectam-se os cabos que ligam o módulo ao sistema.

Etapas do processo de fabricação do módulo

Ensaio elétrico e classificação das células Interconexão elétrica das células

Montagem do conjunto. Colocação das células soldadas entre camadas de plástico encapsulante e lâminas de vidro e plástico

Laminação do módulo. O conjunto é processado numa máquina semi-automática a alto vácuo que, por um processo de aquecimento e pressão mecânica, conforma o laminado.

Curagem. O laminado processa-se num forno com temperatura controlada no qual completa-se a polimerização do plástico encapsulante e alcança-se a adesão perfeita dos diferentes componentes. O conjunto, depois da curagem, constitui uma única peça.

Emolduração. Coloca-se primeiramente um selante elástico em todo o perímetro do laminado e a seguir os perfis de alumínio que formam a moldura. Usam-se máquinas pneumáticas para conseguir a pressão adequada. As molduras de poliuretano são colocadas por meio de máquinas de injeção.

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Colocação de terminais, bornes, diodos e caixas de conexões Ensaio final

Ensaio dos módulos Seguem abaixo os principais testes:

Características elétricas operacionais Isolamento elétrico (a 3000 Volts de C.C.) Aspectos físicos, defeitos de acabamento, etc Resistência ao impacto Resistência à tração das conexões Resistência à nevoa salina e à umidade ambiente Comportamento a temperaturas elevadas por períodos prolongados (100 graus Celsius durante 20 dias) Estabilidade às mudanças térmicas (de -40º C a +90º C) em ciclos sucessivos

I - Conceitos elétricos

Tensão e corrente

A eletricidade é o fluxo de partículas carregadas (elétrons) que circulam através de materiais condutores (como cabos ou barras de cobre). Estas partículas adquirem energia numa fonte (gerador, módulo fotovoltaico, bateria de acumuladores, etc) e transferem esta energia a uma carga (lâmpada, motor, equipamento de comunicações, etc.) e a seguir retornam à fonte para repetir o ciclo.

Se imaginarmos um circuito básico como uma bateria de acumuladores conectada a uma lâmpada teremos na figura 3:

Fig. 3

A bateria de acumuladores é uma fonte de eletricidade, ou uma força eletromotriz (FEM). A magnitude desta FEM é o que chamamos tensão e mede-se em Volts.

Fluxo de elétrons

Sentido positivo de circulação de corrente adotado por convenção

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Estes conceitos podem ser melhor compreendidos se fizermos analogia a um sistema de bombeamento de água. Assim, substituindo o fluxo de elétrons por água, a fonte de tensão por uma bomba de água e o cabo por uma tubulação. Teremos então:

Corrente elétrica é o fluxo de elétrons através de um cabo Mede-se em Ampéres.

Vazão de água é o fluxo de água através de uma tubulação Mede-se em litros/seg.

A fonte de energia elétrica entrega tensão aos elétrons, ou seja, capacidade de realizar trabalho. A tensão mede-se em Volts.

A bomba de água entrega pressão à mesma. A pressão mede-se em kg/cm² (ou em m de coluna de água).

Os elétrons perdem sua energia ao passar por uma carga. Aqui é que se realiza o trabalho.

A água perde sua pressão ao passar por uma turbina. Aqui é que se realiza o trabalho.

Ligação em série

Se os elementos de um circuito se conectarem em série, isso quer dizer que todo o fluxo

(de elétrons ou de água) deve passar por cada um dos seus elementos.

Exemplo: No caso do bombeamento de água, se quisermos elevá-la a uma altura de 20 m para logo a seguir fazê-la passar por uma pequena turbina deveríamos conectar a bomba e a turbina em série, como mostra a fig. 4. Todo o volume que passa pela bomba também passará pela turbina e pelas tubulações.

Fig. 4

Portanto, o fluxo é constante em qualquer ponto do circuito. Se quisermos elevar o mesmo volume ao dobro da altura (40 m) deveríamos conectar duas das bombas mencionadas em série.

Isto equivale a dizer que numa ligação em série as pressões somam-se.

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Recordando a analogia elétrica, o equivalente de pressão é tensão . Portanto se dispormos de dois módulos fotovoltaicos em que cada um entregue 12 Volts, 2 Ampéres e se pretendermos implementar um sistema de 24 Volts e 2 Ampéres deve-se montar um circuito conforme a fig. 5.

Fig. 5

Conclusão: Quando se ligam módulos em série, a tensão resultante é a soma das tensões de cada um deles e a corrente resultante coincide com a menor das correntes entregues pelos módulos.

Ligação em paralelo

Se a necessidade fosse de elevar a 20 m de altura o dobro do volume mencionado anteriormente deveriam conectar-se duas bombas, conforme mostra a fig. 6. Esta é uma ligação em paralelo.

Fig.6

Cada bomba elevará um volume semelhante, passando pela turbina a soma de ambos. Não há qualquer diferença de pressão entre a água bombeada pela primeira e pela segunda bomba e, portanto, toda a água cairá da mesma altura contribuindo com igual pressão.

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No caso elétrico, se necessitarmos fornecer à carga 12 volts, 4 Ampéres, o circuito será o da fig.7.

Fig.7

Conclusão: Quando se ligam módulos em paralelo, a corrente resultante é a soma das correntes de cada um deles e a tensão resultante coincide com a que é entregue por cada módulo.

Potência

É o produto da tensão pela intensidade de corrente: P=V x I

Em que: P é a potência, medida em Watts V é a tensão aplicada, medida em Volts I é a corrente que circula, medida em Ampéres

Analisando-se os casos vistos na ligação em série e na ligação em paralelo verificaremos que ambos operam com valores de potência idênticos:

24 V x 2 A = 48 W (ex. série); 12 V x 4 A = 48 W (ex. paralelo)

Uma mesma potência elétrica poderá estar na forma de alta tensão e baixa corrente ou baixa tensão e alta corrente. Cada aplicação determinará a melhor escolha.

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Perdas de potência

Ao circular água por uma tubulação produzem-se perdas de carga por fricção e turbulência. Ou seja, a tubulação oferece uma certa resistência à passagem do fluxo de água. Da mesma forma, os condutores elétricos oferecem uma certa resistência à passagem da corrente de elétrons e isto traduz-se numa perda de potência, o que deve ser levado em conta ao conceber um sistema. Estas perdas de potência transformam-se em calor.

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