Física - Energia 03 - Energia Solar IV

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    Centro de Referncia para Energia Solar

    e Elica Srgio de Salvo Brito

    ENERGIA SOLARPRINCPIOS E APLICAEShttp://www.cresesb.cepel.br

    E-mail: [email protected]

    SISTEMA ELETROBRS .

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    ENERGIA SOLAR - PRINCPIOS E APLICAES

    1. INTRODUO 4

    1.1. Energia Solar Fototrmica 4

    1.2. Arquitetura Bioclimtica 4

    1.3. Energia Solar Fotovoltaica 5

    2. RADIAO SOLAR 6

    2.1. Radiao Solar: Captao e Converso 6

    2.2. Radiao Solar a Nvel do Solo 8

    3. SOLARIMETRIA E INSTRUMENTOS DE MEDIO 10

    3.1. Piranmetros 10

    3.2. Pirelimetros 11

    3.3. Heligrafo 11

    3.4. Actingrafo 11

    4. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA 12

    4.1. Efeito fotovoltaico 12

    4.2. Tipos de Clulas 144.2.1. Silcio Monocristalino 144.2.2. Silcio Policristalino 154.2.3. Silcio Amorfo 15

    5. MDULOS FOTOVOLTAICOS 17

    5.1. Caractersticas eltricas dos mdulos fotovoltaicos 185.2. Fatores que afetam as caractersticas eltricas dos mdulos 19

    5.3. Alguns modelos de mdulos fotovoltaicos 20

    6. COMPONENTES DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO 21

    6.1. Sistemas Isolados 21

    6.2. Sistemas Hbridos 22

    6.3. Sistemas Interligados Rede 23

    7. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INSTALADOS NO BRASIL 24

    7.1. Sistema de Bombeamento Fotovoltaico para Irrigao 24

    7.2. Sistema de Eletrificao Residencial no Cear 24

    7.3. Sistema Hbrido (Solar- Elico-Diesel) 26

    7.4. Sistema Fotovoltaico em Parques Ecolgicos 27

    7.5. Sistema de Telefonia Pblica utilizando Energia Fotovoltaica em Macei-AL 27

    8. BIBLIOGRAFIA 28

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    1. Introduo

    O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotvel na escala terrestre de tempo, tantocomo fonte de calor quanto de luz, hoje, sem sombra de dvidas, uma das alternativasenergticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milnio. E quando se fala

    em energia, deve-se lembrar que o Sol responsvel pela origem de praticamente todas asoutras fontes de energia. Em outras palavras, as fontes de energia so, em ltima instncia,derivadas da energia do Sol.

    a partir da energia do Sol que se d a evaporao, origem do ciclo das guas, que possibilitao represamento e a conseqente gerao de eletricidade (hidroeletricidade). A radiao solartambm induz a circulao atmosfrica em larga escala, causando os ventos. Petrleo, carvoe gs natural foram gerados a partir de resduos de plantas e animais que, originalmente,obtiveram a energia necessria ao seu desenvolvimento, da radiao solar.

    Algumas formas de utilizao da energia solar so apresentadas a seguir.

    1.1. Energia Solar Fototrmica

    Nesse caso, estamos interessados na quantidade de energia que um determinado corpo capaz de absorver, sob a forma de calor, a partir da radiao solar incidente no mesmo. Autilizao dessa forma de energia implica saber capt-la e armazen-la. Os equipamentos maisdifundidos com o objetivo especfico de se utilizar a energia solar fototrmica so conhecidoscomo coletores solares.

    Os coletores solares so aquecedores de fluidos (lquidos ou gasosos) e so classificados emcoletores concentradores e coletores planos em funo da existncia ou no de dispositivos deconcentrao da radiao solar. O fluido aquecido mantido em reservatrios termicamenteisolados at o seu uso final (gua aquecida para banho, ar quente para secagem de gros,gases para acionamento de turbinas, etc.).

    Os coletores solares planos so, hoje, largamente utilizados para aquecimento de gua emresidncias, hospitais, hotis, etc. devido ao conforto proporcionado e a reduo do consumode energia eltrica.

    1.2. Arquitetura BioclimticaChama-se arquitetura bioclimtica o estudo que visa harmonizar as construes ao clima ecaractersticas locais, pensando no homem que habitar ou trabalhar nelas, e tirando partidoda energia solar, atravs de correntes convectivas naturais e de microclimas criados porvegetao apropriada. a adoo de solues arquitetnicas e urbansticas adaptadas scondies especficas (clima e hbitos de consumo) de cada lugar, utilizando, para isso, aenergia que pode ser diretamente obtida das condies locais.

    A arquitetura bioclimtica no se restringe a caractersticas arquitetnicas adequadas.Preocupa-se, tambm, com o desenvolvimento de equipamentos e sistemas que so

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    necessrios ao uso da edificao (aquecimento de gua, circulao de ar e de gua,iluminao, conservao de alimentos, etc.) e com o uso de materiais de contedo energticoto baixo quanto possvel.

    1.3. Energia Solar Fotovoltaica

    A Energia Solar Fotovoltaica a energia obtida atravs da converso direta da luz emeletricidade (Efeito Fotovoltaico). O efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, em1839, o aparecimento de uma diferena de potencial nos extremos de uma estrutura dematerial semicondutor, produzida pela absoro da luz. A clula fotovoltaica a unidadefundamental do processo de converso.

    Inicialmente o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca, por empresas do setor detelecomunicaes, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. Osegundo agente impulsionador foi a corrida espacial. A clula solar era, e continua sendo, omeio mais adequado (menor custo e peso) para fornecer a quantidade de energia necessriapara longos perodos de permanncia no espao. Outro uso espacial que impulsionou odesenvolvimento das clulas solares foi a necessidade de energia para satlites.

    A crise energtica de 1973 renovou e ampliou o interesse em aplicaes terrestres. Porm,para tornar economicamente vivel essa forma de converso de energia, seria necessrio,naquele momento, reduzir em at 100 vezes o custo de produo das clulas solares emrelao ao daquelas clulas usadas em exploraes espaciais. Modificou-se, tambm, o perfildas empresas envolvidas no setor. Nos Estados Unidos, as empresas de petrleo resolveramdiversificar seus investimentos, englobando a produo de energia a partir da radiao solar.

    Em 1993 a produo de clulas fotovoltaicas atingiu a marca de 60 MWp, sendo o Silcio quaseabsoluto no ranking dos materiais utilizados. O Silcio, segundo elemento mais abundante noglobo terrestre, tem sido explorado sob diversas formas: monocristalino, policristalino e amorfo.No entanto, a busca de materiais alternativos intensa e concentra-se na rea de filmes finos,onde o silcio amorfo se enquadra. Clulas de filmes finos, alm de utilizarem menorquantidade de material do que as que apresentam estruturas cristalinas, requerem uma menorquantidade de energia no seu processo de fabricao. Ou seja, possuem uma maior eficinciaenergtica.

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    2. Radiao Solar

    O Sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre, 1,5 x 1018 kWh de energia . Trata-se deum valor considervel, correspondendo a 10000 vezes o consumo mundial de energia nesteperodo. Este fato vem indicar que, alm de ser responsvel pela manuteno da vida na Terra,

    a radiao solar constitui-se numa inesgotvel fonte energtica, havendo um enorme potencialde utilizao por meio de sistemas de captao e converso em outra forma de energia(trmica, eltrica, etc.).

    Uma das possveis formas de converso da energia solar conseguida atravs do efeitofotovoltaico que ocorre em dispositivos conhecidos como clulas fotovoltaicas. Estas clulasso componentes optoeletrnicos que convertem diretamente a radiao solar em eletricidade.So basicamente constitudas de materiais semicondutores, sendo o silcio o material maisempregado.

    2.1. Radiao Solar: Captao e Converso

    O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve em trajetria elptica umplano que inclinado de aproximadamente 23,5o com relao ao plano equatorial. Estainclinao responsvel pela variao da elevao do Sol no horizonte em relao mesmahora, ao longo dos dias, dando origem s estaes do ano e dificultando os clculos da posiodo Sol para uma determinada data, como pode ser visto na figura .

    A posio angular do Sol, ao meio dia solar, em relao ao plano do Equador (Norte positivo) chamada de Declinao Solar (). Este ngulo, que pode ser visto na figura 2.1.1, varia, deacordo com o dia do ano, dentro dos seguintes limites:

    -23,45 23,45

    A soma da declinao com a latitude local determina a trajetria do movimento aparente do Solpara um determinado dia em uma dada localidade na Terra.

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    Figura 2.1 - rbita da Terra em torno do Sol, com seu eixo N-S inclinadode um ngulo de 23,5o.

    A radiao solar que atinge o topo da atmosfera terrestre provm da regio da fotosfera solarque uma camada tnue com aproximadamente 300 km de espessura e temperaturasuperficial da ordem de 5800 K. Porm, esta radiao no se apresenta como um modelo de

    regularidade, pois h a influncia das camadas externas do Sol (cromosfera e coroa), compontos quentes e frios, erupes cromosfricas, etc..

    Apesar disto, pode-se definir um valor mdio para o nvel de radiao solar incidentenormalmente sobre uma superfcie situada no topo da atmosfera. Dados recentes da WMO(World Meteorological Organization) indicam um valor mdio de 1367 W/m2 para a radiaoextraterrestre. Frmulas matemticas permitem o clculo, a partir da Constante Solar, daradiao extraterrestre ao longo do ano, fazendo a correo pela rbita elptica.

    A radiao solar radiao eletromagntica que se propaga a uma velocidade de 300.000km/s, podendo-se observar aspectos ondulatrios e corpusculares. Em termos de

    comprimentos de onda, a radiao solar ocupa a faixa espectral de 0,1 m a 5m, tendo umamxima densidade espectral em 0,5 m, que a luz verde.

    atravs da teoria ondulatria, que so definidas para os diversos meios materiais, aspropriedades na faixa solar de absoro e reflexo e, na faixa de 0,75 a 100 m,correspondente ao infra-vermelho, as propriedades de absoro, reflexo e emisso.

    Figura 2.2 - Distribuio espectral da radiao solar.

    A energia solar incidente no meio material pode ser refletida, transmitida e absorvida. A parcelaabsorvida d origem, conforme o meio material, aos processos de fotoconverso e

    termoconverso.

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    2.2. Radiao Solar a Nvel do Solo

    De toda a radiao solar que chega s camadas superiores da atmosfera, apenas uma fraoatinge a superfcie terrestre, devido reflexo e absoro dos raios solares pela atmosfera.

    Esta frao que atinge o solo constituda por um componente direta (ou de feixe) e por umacomponente difusa.

    Figura 2.3 - Componentes da radiao solar ao nvel do solo

    Notadamente, se a superfcie receptora estiver inclinada com relao horizontal, haver umaterceira componente refletida pelo ambiente do entorno (solo, vegetao, obstculos, terrenosrochosos, etc.). O coeficiente de reflexo destas superfcies denominado de albedo.

    Antes de atingir o solo, as caractersticas da radiao solar (intensidade, distribuio espectrale angular) so afetadas por interaes com a atmosfera devido aos efeitos de absoro eespalhamento. Estas modificaes so dependentes da espessura da camada atmosfrica,tambm identificada por um coeficiente denominado "Massa de Ar" (AM), e, portanto, do nguloZenital do Sol, da distncia Terra-Sol e das condies atmosfricas e meteorolgicas.

    Devido alternncia de dias e noites, das estaes do ano e perodos de passagem de nuvens

    e chuvosos, o recurso energtico solar apresenta grande variabilidade, induzindo, conforme ocaso, seleo de um sistema apropriado de estocagem para a energia resultante do processode converso.

    Observa-se que somente a componente direta da radiao solar pode ser submetida a umprocesso de concentrao dos raios atravs de espelhos parablicos, lentes, etc. Consegue-seatravs da concentrao, uma reduo substancial da superfcie absorvedora solar e umaumento considervel de sua temperatura.

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    Figura 2.4 - Trajetria dos raios deSol na atmosfera e definio do

    coeficiente de "Massa de Ar" (AM).

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    3. Solarimetria e Instrumentos de Medio

    A medio da radiao solar, tanto a componente direta como a componente difusa nasuperfcie terrestre de maior importncia para o estudos das influncias das condiesclimticas e atmosfricas. Com um histrico dessas medidas, pode-se viabilizar a instalaesde sistemas trmicos e fotovoltaicos em uma determinada regio garantindo o mximoaproveitamento ao longo do ano onde, as variaes da intensidade da radiao solar sofremsignificativas alteraes.

    De acordo com as normas preestabelecidas pela OMM (Organizao Mundial de Meteorologia)so determinados limites de preciso para quatro tipos de instrumentos: de referncia oupadro, instrumentos de primeira, segunda e terceira classe. As medies padres so:radiao global e difusa no plano horizontal e radiao direta normal.

    A seguir mostramos alguns instrumentos de medida da radiao, o uso mais freqente e aclasse associada ao seu desempenho.

    3.1. Piranmetros

    Os piranmetros medem a radiao global. Este instrumento caracteriza-se pelo uso de umatermopilha que mede a diferena de temperatura entre duas superfcies, uma pintada de pretoe outra pintada de branco igualmente iluminadas. A expanso sofrida pelas superfcies provocaum diferencial de potencial que, ao ser medida, mostra o valor instantneo da energia solar.

    Um outro modelo bem interessante de piranmetro aquele que utiliza uma clula fotovoltaicade silcio monocristalino para coletar medidas solarimtrias. Estes piranmetro largamenteutilizados pois apresentam custos bem menores do que os equipamentos tradicionais. Pelas

    caractersticas da clula fotovoltaica, este aparelho apresenta limitaes quando apresentasensibilidade em apenas 60% da radiao solar incidente.

    Existem vrios modelos de piranmetros de primeira (2% de preciso) e tambm de segundaclasse (5% de preciso). Existem vrios modelos de diversos fabricantes entre eles podemoscitar: Eppley 8-48 (USA), Cimel CE-180 (Frana), Schenk (ustria), M-80M (Russia), ZonenCM5 e CM10 (Holanda).

    Figura 3.1 - Piranmetro de Segunda Classe Figura 3.2 - Seco transversal de um piranmetro

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    3.2. Pirelimetros

    Os pirelimetros so instrumentos que medem a radiao direta. Ele se caracteriza porapresentar uma pequena abertura de forma a visualizar apenas o disco solar e a regiovizinha denominada circunsolar. O instrumento segue o movimento solar onde constantemente ajustado para focalizar melhor a regio do sensor.

    Muitos dos pirelimetros hoje so autocalibrveis apresentando preciso na faixa de .5%quando adequadamente utilizados para medies.

    Figura 3.3 - Pirelimetros de Cavidade Absoluta Figura 3.4 - Pirelimetros de Incidncia Normal

    3.3. Heligrafo

    Instrumento que registra a durao do brilhosolar. A radiao solar focalizada por umaesfera de cristal de 10 cm de dimetro sobreuma fita que, pela ao da radiao energrecida. O cumprimento desta fita expostaa radiao solar mede o nmero de horas deinsolao.

    Figura 3.5 -HeligrafoCapbell-Stokes

    Figura 3.6 -ActingrafoRobitzsch-

    Fuess

    3.4. Actingrafo

    Instrumento usado para medir a radiao global.Este instrumento composto de sensoresbaseados na expanso diferencial de um parbimetlico. Os sensores so conectados a umapena que, quando de suas expanso, registram ovalor instantneo da radiao solar. Sua precisoencontra-se na faixa de 15 a 20% e consideradoum instumento de terceira classe.

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    4. Energia Solar Fotovoltaica

    A converso de energia solar em energia eltrica foi verificado pela primeira vez por EdmondBecquerel, em 1839 onde constatou uma diferena de potencial nos extremos de uma estrutura

    de material semicondutor quando exposto a luz. Em 1876 foi montado o primeiro aparatofotovoltaico resultado de estudos das estruturas no estado slido, e apenas em 1956 iniciou-sea produo industrial seguindo o desenvolvimento da microeletrnica.

    Neste ano a utilizao de fotoclulas foi de papel decisivo para os programas espaciais. Comeste impulso, houve um avano significativo na tecnologia fotovoltaica onde aprimorou-se oprocesso de fabricao, a eficincia das clulas e seu peso. Com a crise mundial de energia de1973/74, a preocupao em estudar novas formas de produo de energia fez com a utilizaode clulas fotovoltaicas no se restringisse somente para programas espacias mas que fosseintensamente estudados e utilizados no meio terrestre para suprir o fornecimento de energia.

    Um dos fatores que impossibilitava a utilizao da energia solar fotovoltaica em larga escalaera o alto custo das clulas fotovoltaicas. As primeiras clulas foram produzidas com o custo deUS$600/W para o programa espacial. Com a ampliao dos mercados e vrias empresasvoltadas para a produo de clulas fotovoltaicas, o preo tem reduzido ao longo dos anospodendo ser encontrado hoje, para grandes escalas, o custo mdio de US$ 8,00/W.

    Atualmente, os sistemas fotovoltaicos vm sendo utilizados em instalaes remotaspossiblitando vrios projetos sociais, agropastoris, de irrigao e comunicaes. As facilidadesde um sistemas fotovoltaico tais como: modularidade, baixos custos de manuteno e vida tillonga, fazem com que sejam de grande importncia para instalaes em lugares desprovidosda rede eltrica.

    4.1. Efeito fotovoltaico

    O efeito fotovoltaico d-se em materiais da natureza denominados semicondutores que secaracterizam pela presena de bandas de energia onde permitida a presena de eltrons(banda de valncia) e de outra onde totalmente vazia (banda de conduo).

    O semicondutor mais usado o silcio. Seus tomos se caracterizam por possuirem quatroeltrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao adicionarem-se tomos

    com cinco eltrons de ligao, como o fsforo, por exemplo, haver um eltron em excessoque no poder ser emparelhado e que ficar "sobrando", fracamente ligado a seu tomo deorigem. Isto faz com que, com pouca energia trmica, este eltron se livre, indo para a bandade conduo. Diz-se assim, que o fsforo um dopante doador de eltrons e denomina-sedopante n ou impureza n.

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    Figura 4.1 - Corte transversal de uma clula folovoltaica

    Se, por outro lado, introduzem-se tomos com apenas trs eltrons de ligao, como o casodo boro, haver uma falta de um eltron para satisfazer as ligaes com os tomos de silcioda rede. Esta falta de eltron denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca energiatrmica, um eltron de um stio vizinho pode passar a esta posio, fazendo com que o buracose desloque. Diz-se portanto, que o boro um aceitador de eltrons ou um dopante p.

    Figura 4.2 - Efeito fotovoltaico na juno pn

    Se, partindo de um silcio puro, forem introduzidos tomos de boro em uma metade e defsforo na outra, ser formado o que se chama juno pn. O que ocorre nesta juno queeltrons livres do lado n passam ao lado p onde encontram os buracos que os capturam; istofaz com que haja um acmulo de eltrons no lado p, tornando-o negativamente carregado e

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    uma reduo de eltrons do lado n, que o torna eletricamente positivo. Estas cargasaprisionadas do origem a um campo eltrico permanente que dificulta a passagem de maiseltrons do lado n para o lado p; este processo alcana um equilbrio quando o campo eltricoforma uma barreira capaz de barrar os eltrons livres remanescentes no lado n.

    Se uma juno pn for exposta a ftons com energia maior que o gap, ocorrer a gerao de

    pares eltron-lacuna; se isto acontecer na regio onde o campo eltrico diferente de zero, ascargas sero aceleradas, gerando assim, uma corrente atravs da juno; este deslocamentode cargas d origem a uma diferena de potencial ao qual chamamos de Efeito Fotovoltaico.Se as duas extremidades do "pedao" de silcio forem conectadas por um fio, haver umacirculao de eltrons. Esta a base do funcionamento das clulas fotovoltaicas.

    4.2. Tipos de Clulas

    As clulas fotovoltaicas so fabricadas, na sua grande maioria, usando o silcio (Si) e podendoser constituida de cristais monocristalinos, policristalinos ou de silcio amorfo.

    4.2.1. Silcio Monocristalino

    A clula de silcio monocristalino historicamente as maisusadas e comercializada como conversor direto deenergia solar em eletricidade e a tecnologia para sua

    fabricao um processo bsico muito bem constitudo.A fabricao da clula de silcio comea com a extraodo cristal de dixido de silcio. Este material desoxidadoem grandes fornos, purificado e solidificado. Esteprocesso atinge um grau de pureza em 98 e 99% o que razoavelmente eficiente sob o ponto de vista energtico ecusto. Este silcio para funcionar como clulasfotovoltaicas necessida de outros dispositivossemicondutores e de um grau de pureza maior devendochegar na faixa de 99,9999%.

    Para se utilizar o silcio na indstria eletrnica alm doalto grau de pureza, o material deve ter a estrutura

    monocristalina e baixa densidade de defeitos na rede. O processo mais utilizado para sechegar as qualificaes desejadas chamado processo Czochralski. O silcio fundido juntamente com uma pequena quantidade de dopante, normalmente o boro que do tipo p.Com um fragmento do cristal devidamente orientada e sob rgido controle de temperatura, vai-se extraindo do material fundido um grande cilindro de silcio monocristalino levemente dopado.Este cilindro obtido cortado em fatias finas de aproximadamente 300m.

    Aps o corte e limpezas de impurezas das fatias, deve-se introduzir impurezas do tipo N deforma a obter a juno. Este processo feito atravs da difuso controlada onde as fatias de

    Figura 4.3 - Clula de silcio

    monocristalino

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    silcio so expostas a vapor de fsforo em um forno onde a temperatura varia entre 800 a1000oC.

    Dentre as clulas fotovoltaicas que utilizam o silcio como material base, as monocristalinasso, em geral, as que apresentam as maiores eficincias. As fotoclulas comerciais obtidascom o processo descrito atingem uma eficincia de at 15% podendo chegar em 18% em

    clulas feitas em laboratrios.

    4.2.2. Silcio Policristalino

    As clulas de silcio policristalino so mais baratas que asde silcio monocristalino por exigirem um processo depreparao das clulas menos rigoroso. A eficincia, noentanto, cai um pouco em comparao as clulas desilcio monocristalino.

    O processo de pureza do silcio utilizada na produo dasclulas de silcio policristalino similar ao processo do Simonocristalino, o que permite obteno de nveis deeficincia compatveis. Basicamente, as tcnicas defabricao de clulas policristalinas so as mesmas nafabricao das clulas monocristalinas, porm commenores rigores de controle. Podem ser preparadas pelocorte de um lingote, de fitas ou depositando um filme numsubstrato, tanto por transporte de vapor como por

    imerso. Nestes dois ltimos casos s o silciopolicristalino pode ser obtido. Cada tcnica produz cristais com caractersticas especficas,incluindo tamanho, morfologia e concentrao de impurezas. Ao longo dos anos, o processo defabricao tem alcanado eficincia mxima de 12,5% em escalas industriais.

    4.2.3. Silcio Amorfo

    Uma clula de silcio amorfo difere das demais estruturas cristalinas por apresentar alto grau dedesordem na estrutura dos tomos. A utilizao de silcio amorfo para uso em fotoclulas temmostrado grandes vantagens tanto nas propriedades eltricas quanto no processo de

    fabricao. Por apresentar uma absoro da radiao solar na faixa do visvel e podendo serfabricado mediante deposio de diversos tipos de substratos, o silcio amorfo vem semostrando uma forte tecnologia para sistemas fotovoltaicos de baixo custo. Mesmoapresentando um custo reduzido na produo, o uso de silcio amorfo apresenta duasdesvantagens: a primeira a baixa eficincia de converso comparada s clulas mono epolicristalinas de silcio; em segundo, as clulas so afetadas por um processo de degradaologo nos primeiros meses de operao, reduzindo assim a eficincia ao longo da vida til.Por outro lado, o silcio amorfo apresenta vantagens que compensam as deficincias acimacitados, so elas: processo de fabricao relativamente simples e barato; possibilidade de fabricao de clulas com grandes reas;

    Figura 4.4 - Clula de silciopolicristalino

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    baixo consumo de energia na produo.

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    5. Mdulos Fotovoltaicos

    Pela baixa tenso e corrente de sada em uma clula fotovoltaica, agrupam-se vrias clulasformando um mdulo. O arranjo das clulas nos mdulos podem ser feito conectando-as emsrie ou em paralelo.

    Ao conectar as clulas em paralelo, soma-se as correntes de cada mdulo e a tenso domdulo exatamente a tenso da clula. A corrente produzida pelo efeito fotovoltaico contnua. Pelas caractersticas tpicas das clulas (corrente mxima por volta de 3A e tensomuito baixa, em torno de 0,7V) este arranjo no utilizado salvo em condies muito especiais.

    Figura 5.1 - Conexo de clulas em paralelo

    A conexo mais comum de clulas fotovoltaicas em mdulos o arrajo em srie. Este consisteem agrupar o maior nmero de clulas em srie onde soma-se a tenso de cada clula

    chegando a um valor final de 12V o que possibilita a carga de acumuladores (baterias) quetambm funcionam na faixa dos 12V.

    Figura 5.2 - Arranjo das clulas em srie

    Quando uma clula fotovoltaica dentro de um mdulo, por algum motivo, estiver encoberta apotncia de sada do mdulo cair drasticamente que, por estar ligada em srie, comprometertodo o funcionamento das demais clulas no mdulo. Para que todo a corrente de um mdulono seja limitado por uma clula de pior desempenho (o caso de estar encoberta), usa-se umdiodo de passo ou de bypass. Este diodo serve como um caminho alternativo para a corrente

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    e limita a dissipao de calor na clula defeituosa. Geralmente o uso do diodo bypass feitoem grupamentos de clulas o que, torna muito mais barato comparado ao custo de se conectarum diodo em cada clula.

    Figura 5.3 - Possvel ligao para um diodo bypass entre clulas

    Figura 5.4 - Diodo de bloqueio

    Um outro problema que pode acontecer quandosurge um corrente negativa fluindo pelas clulas ouseja, ao invs de gerar corrente, o mdulo passa areceber muito mais do que produz. Esta correntepode causar queda na eficincia das clulas e, emcaso mais drstico, a clula pode ser desconecta do

    arranjo causando assim a perda total do fluxo deenergia do mdulo. Para evitar esses problemas,usa-se um diodo de bloqueio impedindo assimcorrentes reversas que podem ocorrer caso liguem omdulo diretamente em um acumulador ou bateria.

    5.1. Caractersticas eltricas dos mdulos fotovoltaicos

    Geralmente, a potncia dos mdulos dada pela potncia de pico. To necessrio quanto esteparmetro, exite outras caractersticas eltricos que melhor caracteria a funcionabilidade domdulo. As principais caractersticas eltricas dos modlos fotovoltaicos so as seguintes:

    Voltagem de Circuito Aberto (Voc) Corrente de Curto Circuito (Isc) Potncia Mxima (Pm)

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    Voltagem de Potncia Mxima (Vmp) Corrente de Potncia Mxima (Imp)

    A condio padro para se obter as curvas caractersticas dos mdulos definida pararadiao de 1000W/m2 (radiao recebida na superfcie da Terra em dia claro, ao meio dia), etemperatura de 25C na clula (a eficincia da clula reduzida com o aumento da

    temperatura).

    Figura 5.5 - Curva caracterstica IxV mostrando acorrente Isc e a tenso Voc

    Figura 5.6 - Curva tpica de potncia versustenso

    Figura 5.7 - Parmetros de potncia mxima

    5.2. Fatores que afetam as caractersticas eltricas dos mdulos

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    Os principais fatores que influenciam nas caractersticas eltricas de um painel a IntensidadeLuminosa e a Temperatura das Clulas. A corrente gerada nos mdulos aumenta linearmentecom o aumento da Intensidade luminosa. Por outro lado, o aumento da temperatura na clulafaz com que a eficincia do mdulo caia abaixando assim os pontos de operao para potnciamxima gerada.

    Figura 5.8 - Efeito causado pela variao deintensidade luminosa.

    Figura 5.9 - Efeito causado pela temperatura naclula.

    5.3. Alguns modelos de mdulos fotovoltaicos

    Figura 5.10 Mdulo fabricado pelaempresa Kyosera.

    Figura 5.11 Mdulo fabricado pela empresaSiemens.

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    6. Componentes de um sistema fotovoltaico

    Um sistema fotovoltaico pode ser classificado em trs categorias distintas: sistemas isolados,hbridos e conectados a rede. Os sistemas obedecem a uma configurao bsica onde o

    sistema dever ter uma unidade de controle de potncia e tambm uma unidade dearmazenamento.

    Figura 6.1 - Configurao bsica de um sistema fotovoltaico.

    6.1. Sistemas Isolados

    Sistemas isolados, em geral, utiliza-se alguma forma de armazenamento de energia. Estearmazenamento pode ser feito atravs de baterias, quando se deseja utilizar aparelhoseltricos ou armazena-se na forma de energia gravitacional quando se bombeia gua para

    tanques em sistemas de abastecimento. Alguns sistemas isolados no necessitam dearmazenamento, o que o caso da irrigao onde toda a gua bombeada diretamenteconsumida ou estocadas em reservatrios.

    Em sistemas que necessitam de armazenamento de energia em baterias, usa-se umdispositivo para controlar a carga e a descaga na bateria. O controlador de carga tem comoprincipal funo no deixar que haja danos na bateria por sobrecarga ou descarga profunda. Ocontrolador de carga usado em sistemas pequenos onde os aparelhos utilizados so de baixatenso e corrente contnua (CC).

    Para alimentao de equipamentos de corrente alternada (CA) necessrio um inversor. Este

    dispositivo geralmente incorpora um seguidor de ponto de mxima potncia necessrio paraotimizao da potncia final produzida. Este sistema usado quando se deseja mais confortona utilizao de eletrodomsticos convencionais.

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    Figura 6.2 - Diagrama de sistemas fotovoltaicos em funo da carga utilizada.

    6.2. Sistemas Hbridos

    Sistemas hbridos so aqueles que, desconectado da rede convencional, apresenta vriasfontes de gerao de energia como por exemplo: turbinas elicas, gerao diesel, mdulosfotovoltaicos entre outras. A utilizao de vrios formas de gerao de energia eltrica torna-secomplexo na necessidade de otimizao do uso das energias. necessrio um controle detodas as fontes para que haja mxima eficincia na entrega da energia para o usurio.

    Figura 6.3 - Exemplo de sistema hbrido.

    Em geral, os sistemas hbridos so empregados para sistemas de mdio a grande porte vindoa atender um nmero maior de usurios. Por trabalhar com cargas de corrente contnua, o

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    sistema hbrido tambm apresenta um inversor. Devido a grande complexindade de arranjos emultiplicidade de opes, a forma de otimizao do sistema torna-se um estudo particular paracada caso.

    6.3. Sistemas Interligados Rede

    Estes sistemas utilizam grandes nmeros de painis fotovoltaicos, e no utilizamarmazenamento de energia pois toda a gerao entregue diretamente na rede. Este sistemarepresenta uma fonte complementar ao sistema eltrico de grande porte ao qual estaconectada. Todo o arranjo conectado em inversores e logo em seguida guiados diretamentena rede. Estes inversores devem satisfazer as exigncias de qualidade e segurana para que arede no seja afetada.

    Figura 6.4 - Sistema conectado rede.

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    7. Sistemas fotovoltaicos instalados no Brasil

    No Brasil existem hoje vrios projetos em nvel governamental e privado. Esses projetosenglobam diversos aspectos da utilizao da energia solar como na eletrificao rural, no

    bombeamento dgua e tambm em sistemas hbridos. Aqui sero apresentados alguns dossistemas instalados no Brasil mostrando suas caractersticas e as populaes beneficiadas.

    7.1. Sistema de Bombeamento Fotovoltaico para Irrigao

    No municpio de Capim Grosso,o sistema de bombeamento fotovoltaicofoi instalado no aude Rio dos Peixes e formado por 16 painis M55 daSiemens e uma bomba centrfuga desuperfcie Mc Donald de 1HP DC.Devido s variaes sazonais do nvelda gua no aude, a soluo maisprtica foi a instalao do sistema emuma balsa flutuante ancorada.

    O sistema completo fica a 15m.da margem do aude, quando empoca de cheia, e bombeia a umadistncia de 350m com vazo de 12 m3

    por dia. O sistema foi implantado nombito da cooperao NREL/CEPEL/

    COELBA, tendo participado ainda a Coordenao de Irrigao da Secretaria de Agricultura eIrrigao do Estado da Bahia e a Associao de Moradores de Rio do Peixe. Dez sistemassimilares esto em fase de instalao no mesmo aude.

    7.2. Sistema de Eletrificao Residencial no Cear

    Este projeto de eletrificao fotovoltaica faz parte da primeira fase do acordo

    NREL/CEPEL/COELCE, e parte integrante do Programa LUZ DO SOL. O sistema foiinstalado em vrias localidades do interior do Cear. Foram tambm implantados sistemas deiluminao pblica em cada localidade onde foram instalados sistemas residenciais eescolares.

    Figura 7.1 - Bia flutuante em Valente- BA.

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    O primeiro sistema, dentro daprimeira fase do acordo NREL/CEPEL/COELCE, foi instalado emdezembro de 1992 no municpio deCardeiro e vem operando nestes

    ltimos anos, de forma contnua.Este projeto atende a 14 vilasdo interior do Cear beneficiando umtotal de 492 residncias num total de30,74 kWp de potncia solarinstalados. A tabela mostra aslocalidades beneficiadas com ossistemas de eletrificao fotovoltaicae a sua aplicao.

    LOCALIDADE NMERO DE SISTEMAS

    VILA MUNICPIO RESIDNCIAIS

    Baixio Grande Alto Santo 55

    Alto Grande Apuiars 12

    Lagoa das Pedras Apuiars 42

    Bonitinho Canind 73

    So Serafim Canind 65

    Riacho das Pedras General Sampaio 7

    Cajazeiras General Sampaio 10

    So Tom Itapipoca 35

    Lagoa da Cruz Itapipoca 62

    Basties Itapipoca 33

    Irapu Pentecoste 26

    Cacimbas Pentecoste 11

    Lagoa do Feijo Quixad 32

    CordeirosSo Gonalo do

    Amarante29

    TOTAL 492

    CARACTERSTICAS DO SISTEMA

    1 Mdulo da Siemens M55 (53Wp) 1 Bateria Delco 2000 (105Ah/12V) 20W em lmpadas fluorescentes Sada de 12V para alimentao de rdio, toca fitas etc. Caixa para proteo da bateria e do controlador de carga

    Figura 7.2 - Sistemas fotovoltaicos em casasgeminadas no municpio de Pentecoste CE.

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    7.3. Sistema Hbrido (Solar- Elico-Diesel)

    Este sistema foi instaldado nacomunidade de Joanes no Par oprimeiro Sistema Hbrido Solar- Elico-Diesel a ser implantado no Brasil econta com equipamentos doados peloDepartamento de Energia dos EstadosUnidos (DOE), o acompanhamentotcnico do Laboratrio Americano deEnergias Renovveis (NREL) e oCEPEL. Em contrapartida, osequipamentos complementares e a

    mo de obra para instalao,manuteno e acompanhamento deoperao ficam a cargo da CompanhiaEletrica do Par - CELPA.

    Foram feitas medies develocidade do vento e de irradiaosolar na regio e, no perodo de maio

    de 1994 at abril de 1995, foi registrada a mdia anual de velocidade do vento em 6,6m/s e amdia diria de radiao solar de 5,3kWh/m2.

    CARACTERSTICAS DO SISTEMA

    COMPONENTES CAPACIDADE CARACTERSTICAS TCNICAS

    Gerao Fotovoltaica 10.2kWp Mdulos de Silcio Mono.Siemens S.A.M55 - 53Wp

    Gerao Elica 40kW 4 Turbinas ElicasBergey Wind Power

    Banco de Baterias 400kWh Baterias Seladas Reguladas Vlvula2V/1000Ah

    Controle e Monitorao -----Controladores Lgicos Programveis a

    Computador - "WONDERWARE"

    Conversor Rotativo 52.5kW Alternador, motor

    Subestao 75kVA Transformador, Proteo

    Figura 7.3 - Montagem do sistema hbrido de Joanes.

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    7.4. Sistema Fotovoltaico em Parques Ecolgicos

    Em 28 de janeiro de 1995, foiinaugurado o Sistema GeradorFotovoltico do Posto Avanado do ParqueEcolgico Porto Saupe - Bahia. EsteSistema composto de um painelfotovoltaico Solarex de 1,4kWp,fornecendo energia em corrente contnuapara um banco de baterias que, atravs deum inversor alimenta em 110VACluminrias, equipamentos de informtica esistemas de udio e vdeo do Posto.

    CARACTERSTICAS DO SISTEMA

    18 mdulos Solarex MSX-77 (1386Wp) 9 Baterias Delco de 150Ah 1 Inversor de 1500W

    7.5. Sistema de Telefonia Pblica utilizando Energia Fotovoltaica emMacei-AL

    Figura 7.5 - Sistema de cabine telefnica financiado pelaTELASA - TELECOMUNICAES DE ALAGOAS S.A.

    Figura 7.4 - Sistema Fotovoltaico do ParqueEcolgico de Porto Saupe BA.

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    8. Bibliografia

    Grupo de Trabalho de Energia Solar Fotovoltaica (CRESESB/CEPEL) - Manual de Engenhariapara Sistemas Fotovoltaicos

    Naum Fraidenraich, Francisco Lyra - Energia Solar - Fundamentos e Tecnologias deConverso Heliotrmoeltrica e Fotovoltaica

    Grupo FAE / DEN (UFPE), I Curso sobre Eletrificao Rural com Tecnologia Fotovoltaica,Parte 1, 1992

    Siemens Solar Industries - Training Department, Photovoltaic Technology and System Design -

    Training Manual, 1990, Edition 4.0Relatrios Internos CEPEL/ SGC Programa LUZ DO SOL

    THE EPPLEY LABORATORY, INC - http://www.eppleylab.com/

    INSTITUT FR ELEKTRISCHE ENERGIETECHNIK - http://emsolar.ee.tu-berlin.de/

    SIEMENS SOLAR INDUSTRIES - http://www.siemenssolar.com/

    KYOCERA SOLAR INDUSTRIES - http://www.kyocera.de/