Energia Solar Ufmg

EEE934 – Impacto de GD às RedesElétricas

Universidade Federal de Minas GeraisPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

Área de Concentração: Engenharia de Potência

Elétricas

(http://www.cpdee.ufmg.br/~selenios)

Prof. Selênio Rocha Silva

Prof. Wadaed Uturbey da Costa

Departamento de Engenharia Elétrica - UFMG

- Outubro de 2013 -

Energia Fotovoltaica

Energia Energia FotovoltáicaFotovoltáica

• Estima-se a potência instalada no Brasil em

6,77MWp (34 empreendimentos)!

• A energia que chega à Terra dos raios

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solares em um ano corresponde a 10.000

vezes o consumo global de energia;

• Cada metro quadrado recebe anualmente

em média cerca de 1700kWh de energia

solar!


• Cada metro quadrado terrestre recebe anualmente em média

cerca de 1700kWh de energia solar!

• Em média cerca de 1367W/m2 !

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Energia Energia FotovoltáicaFotovoltáicaA radiação solar é radiação eletromagnética que se propaga a uma velocidade de 300.000 km/s, podendo-se observar aspectos ondulatórios e corpusculares. Em termos de comprimentos de onda, a radiação solar ocupa a faixa espectral de 0,1 μ m a 5 μ m, tendo uma máxima densidade espectral em 0,5 μ m, que é a luz verde.

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• A posição do Sol ao meio dia, em relação ao plano do Equador

(polo N) chama-se DECLINAÇÃO SOLAR (δ)!

• A declinação solar varia: -23,45 ≤ δ ≤ +23,45


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• A posição do painel em relação ao solo para maximizar a captação

solar;

• A posição do Sol ao meio dia:


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Energia Energia FotovoltáicaFotovoltáica� Os piranômetros medem a radiação global.� Um modelo deste instrumento caracteriza-se pelo uso de uma termopilha que mede a diferença de temperatura entre duas superfícies, uma pintada de preto e outra pintada de branco igualmente iluminadas. A expansão sofrida pelas superfícies provocauma diferença de potencial que, ao ser medida, mostra o valor instantâneo da energia solar.� Um outro modelo bem interessante de piranômetro é aquele que utiliza uma célula fotovoltaica de silício monocristalino para coletar medidas solarimétrias. Estes

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fotovoltaica de silício monocristalino para coletar medidas solarimétrias. Estes piranômetro é largamente utilizados pois apresentam custos bem menores do que os equipamentos tradicionais. � Os piranômetros podem ser de primeira classe (2%) e de segunda classe (5%).


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Energia FotovoltaicaEnergia FotovoltaicaMassa de Ar : Antes de atingir o solo, as características da radiação solar(intensidade, distribuição espectral e angular) são afetadas por interações coma atmosfera devido aos efeitos de absorção e espalhamento. Estasmodificações são dependentes da espessura da camada atmosférica, tambémidentificada por um coeficiente denominado "Massa de Ar" (AM), e, portanto,do ângulo Zenital do Sol, da distância Terra-Sol e das condições atmosféricas emeteorológicas.

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meteorológicas.

Energia Energia FotovoltáicaFotovoltáicaSol Pleno :• Número de horas em um dia que a radiação solar equivale a uma radiação constante de 1 kW/m2 (1000 W/m2), istoé, o número de horas em que a média de irradiação de um dia pode ser considerada padrão.

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Orientação de Painéis Fotovoltaicos

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Sombreamento de Painéis Fotovoltaicos

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Área de Ocupação de Painéis Fotovoltaicos

Área de painéis Potência

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de saída

32 m x 21 m = 672 m2 100,8 kW

40 m x 30 m = 1200 m2 180 kW

40 m x 40 m = 1600 m2 240 kW

50 m x 50 m = 2500 m2 375 kW

60 m x 56 m = 3360 m2 504 kW

Energia Energia Solar FotovoltáicaSolar FotovoltáicaA conversão de energia solar em energia elétrica foi verificado pela primeira vez por Edmond Becquerel, em 1839 onde constatou uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor quando exposto a luz.

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Efeito FotovoltáicoEfeito Fotovoltáico

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� O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados semicondutores quese caracterizam pela presença de bandas de energia onde é permitida a presença deelétrons(banda de valência) e de outra onde totalmente “vazia” (banda de condução).� O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuiremquatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina.� Ao adicionarem-se átomos com cinco elétrons de ligação, como o fósforo, por exemplo,haverá um elétron em excesso que não poderá ser emparelhado e que ficará "sobrando",fracamente ligado a seu átomo de origem. Isto faz com que, com pouca energia térmica,este elétron se livre, indo para a banda de condução. Diz-se assim, que o fósforo é umdopante doador de elétrons e denomina-se dopante n ou impureza n. (Fonte:CEPEL,2009)

Efeito FotovoltáicoEfeito Fotovoltáico� Se, por outro lado, introduzem-se átomos com apenas três elétrons de ligação, como éo caso do boro, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomosde silício da rede. Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com

pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição,fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se portanto, que o boro é um aceitador de

elétrons ou um dopante p.

� Se, partindo de um silício puro, forem introduzidos átomos de boro em uma metade ede fósforo na outra, será formado o que se chama junção pn. O que ocorre nesta junção é

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de fósforo na outra, será formado o que se chama junção pn. O que ocorre nesta junção é

que elétrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que oscapturam; isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado p, tornando-onegativamente carregado e uma redução de elétrons do lado n, que o tornaeletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétricopermanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado n para o lado p; esteprocesso alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz debarrar os elétrons livres remanescentes no lado n. (Fonte: CEPEL,2009)

Efeito FotovoltáicoEfeito Fotovoltáico� Se uma junção pn for exposta a fótons com energia maior que o gap, ocorrerá a

geração de pares elétron-lacuna; se isto acontecer na região onde o campo elétrico édiferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através dajunção; este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial ao qualchamamos de Efeito Fotovoltaico.(Fonte: CEPEL,2009)

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Tecnologias de Células FotovoltáicasTecnologias de Células Fotovoltáicas�Primeira Geração:

- Células de Silicio cristalino(c-Si) representam 85-90% do

mercado global hoje e são divididos em : i) monocristalino (sc-Si) e ii)

multi-cristalino ou poli-cristalino (mc-Si).

�Segunda Geração:

- Filmes finos constituem atualmente cerca de 10% a 15% dos

módulos solares existentes. Eles são dividios em: i) Silício amorfo (a-

Si); ii) Telureto de Cádmio (CdTe); e iii) Copper-Indium-Diselenide (CIS)

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Si); ii) Telureto de Cádmio (CdTe); e iii) Copper-Indium-Diselenide (CIS)

e Copper-Indium-Gallium-Diselenide (CIGS).

�Terceira Geração:

- Essas células podem ser fabricadas com materiais orgânicos (ex. óleo de buriti, polímeros, corantes fotosensíveis); com nanopartículas de TiO2 (dióxido de titânio) ou ZnO2 (dióxido de zinco) com e sem nanotubos de carbono; com nanotubos de carbono decorados com CdS (sulfeto de cádmio).

�Tecnologias de concentradores solares: usam um concentrador

ótico para focalizar a radiação solar em uma pequena célula de alta

eficiência.


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� O Silício é um dos elementos mais abundantes na natureza, chegando a constituir 95% do volume da crosta terrestre na forma de silicatos.

� No Brasil estão localizadas as maiores jazidas de quartzo de boa

Células Fotovoltáicas de 1ª. GeraçãoCélulas Fotovoltáicas de 1ª. Geração

� No Brasil estão localizadas as maiores jazidas de quartzo de boa qualidade;

� Os principais depósitos de quartzo no Brasil estão localizados nos estados de Minas Gerais,Goiás e Bahia;

� O Brasil é um dos maiores produtores mundiais de silício grau metalúrgico (99% de pureza), contudo, perde hoje mercado para China (70%) e India;

� Minas possui alguns dos maiores fabricantes de Si grau metalúrgico.

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Etapas da cadeia produtiva:

• Obtenção do silício grau metalurgico;

• Purificação do Si para grau solar;

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• Purificação do Si para grau solar;

• Produção de lâminas

• Processamento das células

• Montagem dos módulos

• Caracterização e certificação dos módulos


Pode-se classificar os graus de purificação do silício como:

� grau metalúrgico (M-Si): ~ 98%;

� grau metalúrgico melhorado (UMG-Si - Upgraded Metallurgical Grade): 99 –

99,99%;

� grau solar (SiGS): >99,999%;

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grau solar (SiGS): >99,999%;

� grau eletrônico (SiGE): >99,9999999%.


Purificação do Silício para grau Solar:

• Rota química:

• Preparação/sintese do hidreto de silicio volatil (SiH );

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• Preparação/sintese do hidreto de silicio volatil (SiH4);

• Purificação

• Decomposição em Si elementar: Processo Siemens ou Union

Carbide

• Rota metalurgica: (em desenvolvimento)

• Maior solubilidade das impurezas contidas no silicio liquido, de

forma que este se concentra em ultimas zonas solidificadas.


Processo Siemens:

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Processos para Monocristalização:

• Processo Czochralski:

• Refusão Zonal


Pode-se classificar os graus de purificação do silício como:

� grau metalúrgico (M-Si): ~ 98%;

� grau metalúrgico melhorado (UMG-Si - Upgraded Metallurgical Grade): 99 –

99,99%;

� grau solar (SiGS): >99,999%;

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grau solar (SiGS): >99,999%;

� grau eletrônico (SiGE): >99,9999999%.

PROCESSO SIEMENS


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O processo que consome mais energia e produz mais resíduos de impacto ambiental é a purificação do silício policristalino (multicristalino), matéria prima para a obtenção de lâminas de Si. A purificação do silício metalúrgico para obtenção de silício grau eletrônico, através da rota química, apresenta impactos ambientais específicos, com a produção de cloro-silanos e de reações com cloreto de hidrogênio.


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Constituição interna da célula fotovoltáica:� Grelha e contactos frontais ;� Película anti-reflexo ;� Camada tipo n ;

� Camada tipo p ;

� Contacto traseiro

Constituição do módulo fotovoltáico:� Vidro;� Pelicula EVA (acetato de vinil-etila);� Celulas e fitas condutoras;

� Pelicula EVA ou polifluoreto de vinila;

� Estrutura de sustentação metálica.

Células FotovoltáicasCélulas Fotovoltáicas

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Curva de Aprendizado

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Células Flexiveis Módulos Fotovoltaicos

Sistemas FotovoltaicosSistemas Fotovoltaicos

• A célula solar é a unidade de conversão domódulo. Uma célula contudo produz muito poucaenergia, em uma tensão em torno de 0,4 V edensidade de corrente da ordem de 30 mA/cm2;• A célula é o elemento menor do sistemafotovoltaico, produzindo tipicamente potências

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fotovoltaico, produzindo tipicamente potênciaseléctricas da ordem de 1,5 W (correspondentes auma tensão de 0,5 V e uma corrente de 3 A).• Para obter potências maiores, as células sãoligadas em série e/ou em paralelo, formandomódulos (tipicamente com potências da ordemde 50 a 100 W) e painéis fotovoltaicos (compotências superiores).


• O módulo fotovoltaico é a unidade básica de todo o sistema. Este écomposto por células conectadas em arranjos produzindo tensão e correntesuficientes para a utilização da energia;• Um conjunto de módulos constitui um painel fotovoltaico e pode serconectado em série ou paralelo;

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• Quando uma célula fotovoltaica dentrode um módulo, por algum motivo, estiverencoberta (sombreada) a potência desaída do múdulo cairá drasticamente que,por estar ligada em série, comprometerátodo o funcionamento das demais célulasno módulo.

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no módulo.• Para que todo a corrente de ummódulo não seja limitado por uma célulade pior desempenho (o caso de estarencoberta), usa-se um diodo de passo oude “bypass”. Este diodo serve como umcaminho alternativo para a corrente elimita a dissipação de calor na céluladefeituosa.


• Um outro problema que podeacontecer é quando surge um correntenegativa fluindo pelas células ou seja, aoinvés de gerar corrente, o módulo passa areceber muito mais do que produz.• Esta corrente pode causar queda naeficiência das células e, em caso mais

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eficiência das células e, em caso maisdrástico, a célula pode ser desconecta doarranjo causando assim a perda total dofluxo de energia do módulo.• Para evitar esses problemas, usa-seum diodo de bloqueio impedindo assimcorrentes reversas que podem ocorrercaso liguem o módulo diretamente em umacumulador ou bateria

Características de Células FotovoltaicosCaracterísticas de Células Fotovoltaicos

• A potência dos módulos é dada pela potência de pico. Tão necessárioquanto este parâmetro, exite outras características elétricos que melhorcaracteria a funcionabilidade do módulo.• As principais características elétricas dos modúlos fotovoltaicos sãoas seguintes:

• Voltagem de Circuito Aberto (Voc)• Corrente de Curto Circuito (Isc)

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• Corrente de Curto Circuito (Isc)• Potência Máxima (Pm)• Voltagem de Potência Máxima (Vmp)• Corrente de Potência Máxima (Imp)

• A condição padrão (STC) para se obter as curvas características dosmódulos é :

� Radiação de 1000W/m2;� Temperatura de 25ºC na célula;� Massa de ar 1,5


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PmaxPmax

f

I.V

I.VF =

• Fator de forma (ou de preenchimento): é uma grandeza que expressa

quanto a curva característica se aproxima de um retângulo no diagrama IxV.

Quanto melhor a qualidade das células mais próximo da unidade será este

fator.

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ccoc

f

I.VF =

A.S

I.VPmaxPmax=η

• Eficiência do módulo:

onde S é a radiação incidente (W/m2) e A é a área do painel em m2;


• Razão de Desempenho (Performance Ratio): é uma grandeza

adimensional (expressa em %) que relaciona a energia realmente gerada

pelo sistema fotovoltaico e a energia esperada de geração nas mesmas

condições de irradiação solar no período

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teTeoricamenGeradaEnergia

GeradaEnergiaPR

=

anonohorasxPotencia

GeradaEnergiaFC

=

• Fator de Capacidade:

Características de Células FotovoltaicosCaracterísticas de Células FotovoltaicosOs principais fatores que influenciam nas características elétricas de um painel é a Intensidade Luminosa e a Temperatura das Células.

A corrente gerada nos módulos aumenta linearmente com o aumento da Intensidade luminosa. Por outro lado, o aumento da temperatura na célula faz com que a eficiência do módulo caia abaixando assim os pontos de operação para potência máxima gerada.

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• Conectados em série e/ouparalelo, dependendo da potênciae tensão desejadas;• Requer homogeneidade entre ascaracterísticas dos módulos

Série

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características dos módulos(módulos iguais);• Pode ser necessário o uso dedispositivos de proteção (p.e.diodos de “by pass” e bloqueio);• Tensões e correntes muitoelevadas podem ser obtidas.

Paralelo

Aplicações de Sistemas FotovoltaicosAplicações de Sistemas Fotovoltaicos

Um sistema fotovoltaico pode ser classificado em três categorias distintas: • Sistemas isolados,• Sistemas híbridos• Sistemas conectados a rede. Os sistemas obedecem a uma configuração básica onde o sistema deverá ter uma unidade de controle de potência e também uma unidade de armazenamento

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armazenamento


Os sistemas fotovoltaicos conectados a rede são projetados para operar

interconectados a rede elétrica de distribuição. O componente principal de

conexão é o inversor estático ou unidade de condicionamento de potência (PCU).

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SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A REDE

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(a) (b) (c) (d)

Diferentes topologias de sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica: a) inversor central, b) Inversor string, c) Módulo ca, d) Inversor mult-string .


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04/11/2013 50Preços de sistemas de 10kWp a 100kWp na Alemanha


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Usinas Fotovoltaicos no MundoUsinas Fotovoltaicos no Mundo







Sistema FV na cobertura da fábrica da Bosch, em Belang, na MalásiaFonte: IEA – Trends in Photovoltaic Applications 2011


Outras aplicações de sistemas fotovoltaicos


Outras aplicações de sistemas fotovoltaicos

Normalização

RESOLUÇÃO NORMATIVA Nº 482, DE 17 DE ABRIL DE 2012

Estabelece as condições gerais para o acesso de

RESOLUÇÃO NORMATIVA No 517, DE 11 DE DEZEMBRO DE 2012.

Altera a Resolução Normativa nº 482, de 17 de abril de 2012,

para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica, o sistema de compensação de energia elétrica, e dá outras providências.

nº 482, de 17 de abril de 2012, e o Módulo 3 dos Procedimentos de Distribuição – PRODIST.

Muito obrigado

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www.cpdee.ufmg.br/~selenios

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