Energia Solar Fotovoltaica - Teoria Física

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

TEORIA FÍSICA

Sílvio Aparecido Verdério Júnior

1. INTRODUÇÃO

Condutor Metálico: Condutor eletrônico no qual a condutividade elétrica diminui com o aumento da temperatura.

Semicondutor: Condutor eletrônico no qual a condutividade elétrica aumenta com o aumento da temperatura. Exemplo, Germânio (Ge) e Silício (Si).

Isolante: Não conduz eletricidade.

Modelo Atômico de Bohr. Teoria de Bandas dos Sólidos. Banda de Valência x Banda de Condução.

Figura 1 – Modelo de Bohr para o Átomo. a) Orbitas dos Elétrons b) Níveis de Energia

Figura 2– Bandas de Energia

Figura 3 – Nuvem de elétrons formada pelos vários elétrons em suas diferentes órbitas – Ligação Metálica.

No Zero Absoluto (0 K) a banda de condução vai estar totalmente vazia, e a banda de valência totalmente preenchida. Os elétrons de valência vão estar presos ao núcleo de Silício, pois fazem parte das ligações covalentes entre os átomos. Conforme Figura 4.

Aquecendo o material, a energia térmica quebra algumas ligações de valência e alguns elétrons passam da camada de valência para a banda de condução, o que gera uma corrente elétrica, porém muito pequena para ser utilizada, mesmo a Temperatura Ambiente (25 ºC). Conforme Figura 5.

Quando um elétron salta para a banda de condução ele cria uma lacuna, que será preenchida por um elétron da banda de valência que por sua vez cria outra lacuna. Isso cria um movimento de lacunas, ou seja, de cargas positivas, conforme Figura 6.

Figura 4 – Silício na temperatura de 0 K.

Figura 5 – Silício na temperatura de 25 ºC.

Os Semicondutores oferecem dois trajetos para a: Elétrons se movendo na banda de condução. Lacunas (ou elétrons) se movendo da banda de valência.Enquanto que nos Condutores existe um tipo único de corrente, a dos elétrons na banda de condução.

Figura 6 – Corrente de Lacunas.

Para um cristal de Silício Puro (SEMICONDUTOR INTRÍNSECO), à temperatura ambiente, existem poucos elétrons livres, insuficientes para produzir uma corrente elétrica utilizável.

DOPAGEM: Introdução de átomos de impurezas num cristal de modo a aumentar tanto o número de elétrons livres, quanto o número de lacunas, criando um campo elétrico entre as bandas de condução e valência. SEMICONDUTOR EXTRÍNSECO DO TIPO N ou TIPO P.

Figura 7 – Semicondutor Extrínseco do Tipo n e Tipo p, respectivamente.

SEMICONDUTOR TIPO N A adição de átomos pentavalentes (cinco elétrons na camada de

valência – N, P, As, Sb e Bi) objetiva aumentar o número de elétrons migrando para a banda de condução.

Assim passa a existir um grande número de elétrons na banda de condução, porém continuam existindo lacunas na banda de valência devido a energia térmica.

Figura 8 – Semicondutor Tipo N.

SEMICONDUTOR TIPO P A adição de átomos trivalentes (três elétrons na camada de valência –

B, Al, Ga, In e Tl) objetiva aumentar o número de lacunas na banda de valência.

Continuarão existindo elétrons na banda de condução devido a energia térmica.

Figura 9 – Semicondutor Tipo P.

JUNÇÃO P - N: Onde as regiões Tipo p e Tipo n se encontram. Nas proximidades da junção, os portadores majoritários de cada lado

(elétrons e lacunas) irão se recombinar, formando íons negativos e positivos em uma região onde não existirão mais cargas livres. Essa região é chamada de camada de depleção.

Figura 10 – Junção P-N. a) Antes da Difusão. b) Depois da Difusão.

EFEITO FOTOVOLTAICO: Surgimento de uma tensão elétrica em um material semicondutor, quando é exposto à luz visível (FÓTONS).

Para formar uma célula fotovoltaica (ou um diodo) são unidos os dois tipos de semicondutor. Não área da união, chamada de Junção - PN, os elétrons livres do semicondutor tipo N migrarão para o semicondutor tipo P para ocuparem esses espaços. Essa migração não ocorre indefinidamente, pois forma-se um campo elétrico na área de junção que impede que os elétrons continuem fluindo.

Ao receberem fótons de luz visível os elétrons são energizados, mas não conseguem fluir da camada N para a camada P. Se ligarmos as duas camadas externamente, podemos aproveitar a corrente elétrica que se forma na passagem dos elétrons de uma camada para outra. É assim que funciona uma célula fotovoltaica.

Figura 11 – Junção P-N e o Efeito Fotovoltaico.

2. CARACTERÍSTICAS DO EQUIPAMENTO

COMPOSIÇÃO: Lâmina de Silício purificado dopada, simultaneamente, com Boro e Fósforo.

A parte dopada com Fósforo, do tipo-N, fica exposta ao sol. A parte dopada com Boro, do tipo-P, fica na parte inferior da célula, e

é maior que o tipo-N. CONTATOS FRONTAIS E GRELHAS DE COBRE. Sobre a parte tipo-

N, causam sombra e reflexão, diminuindo a eficiência da célula, porém são necessários para captar os elétrons liberados pelo Efeito Fotovoltaico e com a diminuição do número de contatos frontais a eficiência da célula diminui.

MÁXIMA EFICIÊNCIA DA CÉLULA FOTOVOLTAICA: Máximo possível de contatos frontais, porém com a menor área possível.

PELÍCULA ANTI-REFLEXO: Reduz a reflexão da radiação incidente para valores abaixo de 5%, que em conjunto com textura especiais usadas em células de alto rendimento a reflexão pode ser reduzida para valores da ordem de 2%. Sem este revestimento a célula refletiria cerca de um terço (1/3) da radiação.

CONTACTO TRASEIRO: Contacto metálico localizado na parte posterior da célula, que constitui o terminal positivo.

Figura 12 – Forma Construtiva da Célula Fotovoltaica.

2.1 TIPOS DE CÉLULASA. SILÍCIO MONOCRISTALINO Atinge 60% das aplicações do Mercado. COMPOSIÇÃO: Cristal único com uniformidade molecular, que vai

POTENCIALIZAR o Efeito Fotovoltaico. RENDIMENTO: 24% (Laboratório) e 15% (Prática). Elevado Custo de Produção.

Figura 13 – Célula de Silício Monocristalino.

B. SILÍCIO POLICRISTALINO Atinge 30% das aplicações do Mercado. COMPOSIÇÃO: Blocos de pequenos cristais de espessura capilar. As DESCONTINUIDADES dificultam o movimento dos elétrons e

favorecem a recombinação com as lacunas, DIMINUINDO a potência de saída.

RENDIMENTO: 18% (Laboratório) e 12% (Prática).

Figura 14 – Célula de Silício Policristalino.

C. SILÍCIO AMORFO Atinge 04% das aplicações do Mercado. Exemplo, equipamentos solares

domésticos (relógios, calculadoras, etc.) COMPOSIÇÃO: Por não possuir uma estrutura cristalina definida,

apresentando defeitos que favorecem a recombinação de elétrons com lacunas, adiciona-se uma pequena quantidade de hidrogênio (HIGROGENAÇÃO), de forma a minimizar quimicamente os defeitos estruturais.

Maior DEPRECIAÇÃO do equipamento, observável logo nos primeiros meses de funcionamento e reduzindo assim a sua EFICIÊNCIA.

RENDIMENTO: 13% (Laboratório) e 06% (Prática). Menor Custo de Produção. Apresenta MAIOR ABSORÇÃO DE RADIAÇÃO NA FAIXA DO VISÍVEL.

DEPOSIÇÃO de películas de silício amorfo nos substratos (metal, vidro, plástico).

D. CÉLULAS DE FILMES FINOS Pesquisas objetivando produção de células fotovoltaicas confiáveis,

utilizando pouco material semicondutor - MENOR CUSTO DO PRODUTO e da ENERGIA GERADA.

Opções de Materiais:– Telureto de Cádmio (CdTe);– Disseleneto de Cobre e Índio (CIS);– Silício amorfo hidrogenado (a-Si-H);– Arseneto de Gálio (GaAs).

Figura 15 – Módulos de Filme Fino.

3. MODELO MATEMÁTICO3.1 MODELO SIMPLIFICADO

Gerada pelo FEIXE DE RADIAÇÃO LUMINOSA.

EFEITO FOTOVOLTAICO

Junção P-N (DIODO)

Figura 16 – Modelo Simplificado.

3. MODELO MATEMÁTICO3.1 MODELO SIMPLIFICADO

Potência de Saída

Corrente de Saída

Rendimento = Potência de Pico / (Área da Célula . Radiação Solar Incidente Superficial) Fator de Forma: 0,7 a 0,85

FABRICANTE

3.2 MODELO DETALHADO

Queda de TENSÃO devido aos CONTATOS EXTERNOS.

CORR

ENTE

S D

E FU

GA

Figura 17 – Modelo Detalhado.

3.2 MODELO DETALHADO

Equação TRANSCENDENTAL, resolvida através de MÉTODOS ITERATIVOS.

3. APLICAÇÕES

SISTEMAS ISOLADOS SISTEMAS HÍBRIDOS SISTEMAS INTERLIGADOS À REDE

Figura 18 – Configuração Básica de um Sistema Fotovoltaico.

3.1 SISTEMAS ISOLADOS

Figura 19 – Diagrama de Sistemas Voltaicos em função da carga utilizada.

3.2 SISTEMAS HÍBRIDOS

Figura 20 – Exemplo de Sistema Híbrido.

3.3 SISTEMAS INTERLIGADOS À REDE

Figura 21 – Sistema Conectado à Rede Elétrica (Sem Armazenamento).

4. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INSTALADOS NO BRASIL

Figura 22 – Sistema de Bombeamento Fotovoltaico para Irrigação. (Valente – BA)

Figura 23 – Sistema de Eletrificação Residencial Fotovoltaico. (Pentecoste – CE)

Figura 24 – Sistema Híbrido Solar – Eólico - Diesel. (Jaones – PA)

Figura 25 – Sistema de Telefonia Pública utilizando Energia Fotovoltaica. (Maceió-AL)

5. ANÁLISE DE CUSTOSTabela 1 – Valores típicos de implantação de usinas geradoras de energia (Fonte:

ANEEL - SCG, 2006)

Tabela 2 – Custo de Instalação de um Sistema Fotovoltaico de

Tabela 3 – Custo do um Sistema Fotovoltaica durante 30 anos

ANALISANDO OS RESULTADOS ANTERIORES: Da Tabela 2, tem-se:

VALOR TÍPICO PARA SISTEMAS ISOLADOS: US$ 13/W

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS[1] http://paginas.fe.up.pt/~ee03096/index_ficheiros/Page830.htm

Data de Acesso: 06/05/2013.

[2]http://www.blue-sol.com/energia-solar/energia-solar-como-funciona-o-efeito-fotovoltaico/

Data de Acesso: 07/05/2013.

[3] SHAYANI, R. A. et al., “Comparação do Custo entre Energia Solar Fotovoltaica e Fontes Convencionais”. Congresso Brasileiro de Planejamento Energético, 2006.

Disponível em: http://www.gsep.ene.unb.br/producao/marco/

sbpe_2006.pdf. Data de Acesso: 07/05/2013.

[4] Energia Solar Princípios e Aplicações. Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salva Brito. Disponível em: http://www.cresesb.cepel.br . Data de Acesso: 07/05/2013.

[5] CASTRO, R. M. G., “Introdução à Energia Fotovoltaica”. Universidade Técnica de Lisboa, Insitituto Superior Técnico. 2008.

[6] PINHEIRO, J. R. G., “Diodos”. Apostila Eletrônica de Automação Industrial, 54 páginas. Universidade Estadual Paulista, FEB – DEE.

MUITOOBRIGADO