GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA - ufjf.br · utilização como laboratório de pesquisa e desenvolvimento. Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de 2013 10 / 36. Energia do Sol

GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA

Pedro Gomes Barbosa

Universidade Federal de Juiz de ForaNúcleo de Automação e Eletrônica de Potência

Juiz de Fora, MG36036-900 Brasil

email: [email protected]

Julho de 2013

Pedro Gomes Barbosa (UFJF) PV Systems Julho de 2013 1 / 36

Introdução

Demanda sempre crescente por novas fontes de energia;

Esgotamento das reservas de fontes de energia não renováveis;Carvão;Petróleo;etc.

Pressões ambientais para reduzir emissões de gasesresponsáveis pelo efeito estufa;

Conscientização relacionada ao uso racional e eficiente daenergia;


Diversas fontes primárias deENERGIA!

+

Por que usarELETRICIDADE?


Primeira Revolução Industrial

Primeiras máquinas a vapor ) carvão e água;

Steam machine # 1. Steam machine # 2.


Corrente Contínua (CC)X

Corrente Alternada (CA)

+Qual é a MELHOR

TECNOLOGIA?



Motivação

Sistemas de Geração Alternativos aumentam a oferta local deenergia elétrica:

Com confiabilidade;Elevados índices de qualidade

Surgimento de novos conceitosRedes de distribuição ativas:Microrredes (Microgrids);Redes inteligentes (Smart Grids);

Quebra do paradigma da operação dos Sistemas Elétricos:Consumidores podem também ser produtores de energia.(PROSUMERS = PROducer + conSUMERS)


Rede elétrica moderna

+

-

V d

CONVERSORES

MÓDULOS PV

SISTEMA DE GERAÇÃOFOTOVOLTAICO

SISTEMA DEDISTRIBUIÇÃO

SUBTRANSMISSÃO

+

-

Vd

CONVERSORES


Aplicação residencial

+ - Vd

CONVERSORES PAINEL FOTOVOLTAICO

REDE

CO

NTR

OLA

DO

R

+ - Vd

CONVERSORES

CONTROLADOR


Objetivos

1 Explicar o princípio de funcionamento dos painéis solaresfotovoltaicos;

2 Explicar o processo de condicionamento da energia elétricaconvertida nos painéis fotovoltaicos;

3 Explicar a estrutura da Usina Solar Fotovoltaica da UFJF e suautilização como laboratório de pesquisa e desenvolvimento.


Energia do Sol

6% disperso na atmosfera

19% absorvido na atmosfera e nuvens

4% refletido pela superfície

51% absorvido pela terra

20% disperso ou absorvido pelas nuvens

Irradiação Global Horizontal (GHI) = Irradiação Difusa Horizontal (DIF)+ Irradiação Normal Direta (DNI).


Tecnologias de geração solar de energia elétrica

NOTA TÉCNICA EPE - Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira 8

Ministério de Minas e Energia

nebulosidade e presença de aerossóis na atmosfera. As plantas atualmente em operação comercial possuem estações de medição de radiação, que possibilitam uma previsibilidade de geração de energia com até 24 horas de antecedência, especialmente aquelas que administram o despacho da energia térmica armazenada.

As usinas termossolares necessitam de um volume considerável de água para refrigeração do sistema e limpeza dos helióstatos. Assim, os locais com baixa taxa de nebulosidade (característica de locais áridos) são os ideais para instalação desses sistemas, mas devem ter disponibilidade hídrica suficiente para o funcionamento da usina, condições que nem sempre se obtêm simultaneamente.

Pesquisas buscam reduzir a utilização de água no processo, fazendo a refrigeração do fluido a seco, trocando calor apenas com o ar. Porém essa medida reduz a eficiência do processo. Em fase inicial de aplicação estão os sistemas híbridos, com resfriamento a água e a ar, que utilizam menor volume de água e não reduzem tanto a eficiência.

A vida útil mínima prevista de uma usina termossolar é de 25 anos, segundo informações de fornecedores de equipamentos e consultores, considerando critérios de O&M adequados para este tipo de instalação. A degradação da planta é desprezível nesse período, não sendo esperadas perdas significativas de rendimento e de desempenho dos materiais como espelhos e tubos absorvedores.

Concentradores cilíndrico-parabólicos (calhas)

Os concentradores cilíndrico-parabólicos (Figura 7) são espelhos côncavos em que, na linha focal, passa um tubo absorvedor de calor por onde circula um fluido térmico. Esse fluido, normalmente óleo sintético, tem grande capacidade térmica e é aquecido à medida que escoa pelo tubo. Finalmente, o fluido térmico flui por um trocador de calor (gerador de vapor) onde se gera o vapor d’água pressurizado que acionará o ciclo Rankine. Para aumentar a eficiência e a absorção da energia solar, os concentradores, juntamente com o tubo absorvedor, giram em torno do próprio eixo acompanhando a inclinação do Sol ao longo do dia. Essa movimentação faz com que seja necessária a utilização de juntas flexíveis nos tubos absorvedores.

Fig. 7. Concentradores cilíndrico-parabólicos Fontes: www.nrel.gov e www.ucsusa.org

Os componentes básicos dessas usinas são basicamente os seguintes:

• espelhos cilíndrico-parabólicos, côncavos, com alta taxa de reflexibilidade (cerca de 93%) e resistentes a intempéries, por ficarem diretamente expostos ao tempo;

• tubos absorvedores de calor (Figura 8), utilizados para aquecer e encaminhar o fluido térmico aos trocadores de calor; têm cerca de 70mm de diâmetro e são tubos de aço inoxidável encapsulados

Heliotérmico Fotovoltaico


Breve história da energia fotovoltaica

1

Em 1839 Edmond Becquerel observou que alguns materiaisproduziam eletricidade quando eram expostos à luz;

2

Em 1877 W. G. Adams e R. E. Day desenvolveram o primeirodispositivo fotovoltaico (baseado em células de selênio);

3

Em 1905 Albert Einstein explicou e formalizou física ematematicamente o efeito fotoelétrico;

4

Em 1921 Einstein ganhou o Prêmio Nobel por seus trabalhosexplicando o efeito fotoelétrico;

5

Em 1954 foi produzida a primeira célula fotovoltaica de Si peloBell Laboratories - USA.


CONDUTOR, ISOLANTEou SEMICONDUTOR

+

Que material USAR?



Bandas de condução & Banda de valência


Silício INTRÍNSECO (Puro)

Átomo de silício.

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

Substrato de cristal silício.


Dopagem com impurezas PENTA e TETRAvalentes

Silício Tipo-N

Si Si Si

Si Si

Si Si Si

P

ELÉTRONS livres ) �

Silício Tipo-P

Si Si Si

Si B Si

Si Si Si

LACUNAS livres ) �


Princípio de funcionamento da célula FOTOVOLTAICA

fótons

grade metálica

base metálicap

ncamadas semicondutoras

V

Comentários:

A radiação proveniente do Solfornece energia para oselétrons e lacunas livres najunção semicondutora P-N.

Uma única célula solar produzuma tensão entre 0,5 e 0,6 V;

Várias células são conectadasem série–paralelo formandomódulos de até 200W.


Tecnologias de fabricação - Silício Cristalino

Essa tecnologia é a forma mais usada comercialmente.



grau de pureza. A obtenção desse tipo de silício é mais cara do que a do silício policristalino, porém tem-se maior eficiência na conversão.

As técnicas de fabricação de células policristalinas são basicamente as mesmas de fabricação das células monocristalinas. É requerido, porém, menor gasto de energia e também menor rigor no controle do processo de fabricação.

Fig. 3. Células de silício monocristalino e policristalino

Fonte:MB Solar

Filmes finos

As células de filmes finos (Figura 4) são produzidas por meio de um processo de depósito de camadas extremamente finas de material semicondutor. São revestidas de proteção mecânica, como vidro ou plástico. Os materiais semicondutores comercialmente utilizados na fabricação dos filmes são silício amorfo (a-Si), telureto de cadmio (CdTe) ou disseleneto de cobre índio gálio (CIGS).

Fig. 4. Células de filme fino Fonte: Deltaenergie

Por serem depositados sobre diversos tipos de substratos de baixo custo (plásticos, vidros e metais), os filmes finos constituem tecnologia de baixo custo. Quando comparado com as formas cristalinas do silício, o gasto de energia na fabricação de células de filme fino é menor, mas a eficiência na conversão da energia também é menor. Além disso, a eficiência da conversão nessa tecnologia diminui mais acentuadamente logo nos primeiros meses após a instalação, embora seja menos afetada por temperaturas mais elevadas.

Silício monocristalino.(grau de pureza 99,9999 %)






Fonte:MB Solar

Filmes finos




Silício policristalino.(grau de pureza 99,999 %)


Tecnologias de fabricação - Filmes Finos

As células são produzidas por um processo de depósito decamadas extremamente finas de material semicondutor.Os principais materiais usados são:

Silício amorfo (a-Si),Telureto de cadmio (CdTe),Disseleneto de cobre índio–gálio (CIGS).






Fonte:MB Solar

Filmes finos





Eficiência dos módulos fotovoltaicos



Fig. 6. Componentes dos sistemas de geração fotovoltaicos Fonte: CTI

A Tabela 1 mostra a eficiência na conversão direta da energia do Sol em energia elétrica para módulos disponíveis no mercado e a comparação das áreas necessárias para a produção de 1 kWp.

Tabela 1. Eficiência típica dos módulos comerciais

Tecnologia Eficiência Área/kWp

Silício cristalino Monocristalino 13 a 19% ~7m2

Policristalino 11 a 15% ~8m2

Filmes finos Silício amorfo (a-Si) 4 a 8% ~15m2

Telureto de Cadmio (Cd-Te) 10 a 11% ~10m2

Disseleneto de cobre-índio-gálio (CIGS) 7 a 12% ~10m2

Concentrador fotovoltaico ~25%

Fonte: EPIA (2011) 2.3 Aproveitamento energético heliotérmico (Concentrated Solar Power – CSP)

O princípio básico desta tecnologia é a utilização de superfícies espelhadas que refletem e concentram a irradiação solar direta DNI, conforme tratado no item 2.1, com o objetivo de convertê-la em energia térmica a partir da qual se gera vapor d’água que irá acionar um ciclo Rankine. As principais configurações de usinas termossolares são os concentradores cilíndrico-parabólicos (calhas), os concentradores Fresnel, os concentradores de prato parabólicos e os arranjos de helióstatos, que redirecionam a luz solar a um receptor estacionário (concentradores em torre).

A fonte principal de energia é a irradiação direta (DNI), sendo requerido um valor mínimo para a viabilização técnica do projeto (da ordem de 1900 KWh/m²)3. Sendo assim, as incertezas no cálculo da produção de energia são elevadas, pois a DNI na superfície da Terra é bastante influenciada pela

3 Estimativa levantada junto a fornecedores de equipamentos e consultores durante visita de técnicos da EPE a instalações de CSP na Espanha e Alemanha em abril/2012.

Fonte: EPIA (2011).


Laboratório solar fotovoltaico da UFJF

31,68 kWp de capacidade instalada;264 painéis de 120 Wp;11 arranjos independentes.


Característica dos painéis BP SX 120

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4V: 33.7I: 3.561

V [V]

I [A]

V: 33.62I: 2.839

V: 32.82I: 1.394

V: 33.34I: 2.118

400 W/m2

600 W/m2

800 W/m2

1000 W/m2

Figura 1.1: Estrutura de um sistema de geração dispersa.

3

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

20

40

60

80

100

120

V: 33.7P: 120

P [W

]

V [V]

V: 33.62P: 95.43

V: 33.34P: 70.62

V: 32.82P: 45.74

600 W/m2

400 W/m2

800 W/m2

1000 W/m2

Parâmetro ValorI

mp

3,56 A

V

mp

33,7 V

P

max,e

120 W

I

sc

3,87 A

V

oc

42,1 V


As células PV geramcorrente contínua (CC)!

+

O que? Como FAZER?


Uma possibilidade!

CACC

CC

CC

CC

CC

Banco de Baterias

Inversor

ConversorBidirecional

ConversorBoost

PV

Barramento CCRede CA


Injeção direto na rede elétrica

Sistema comercial.


Resultado inversor SMA (comercial)

(09/01/2011 a 09/02/2011)


Sistema desenvolvido na UFJF

48

2 MODELAGEM MATEMATICA E ESTRATEGIA DE CONTROLEDO CONVERSOR DE INTERFACE

2.1 INTRODUCAO

A Figura 28 mostra o diagrama unifilar de um SGD fotovoltaico composto por um

grupo de paineis PV ligados aos terminais de entrada de um conversor estatico fonte

de tensao, trifasico de dois nıveis com seus blocos de controladores, aquisicao, sensores

e sinais de referencia. Nesta figura o conversor foi conectado a rede eletrica de dis-

tribuicao atraves de um transformador, cujas indutancia de dispersao e a resistencia

serie de cada fase sao representadas por R e L, respectivamente. Ja a rede foi modelada

por um circuito equivalente formado pela fonte de tensao vs

em serie com a impedancia

equivalente Zs

= Rs

+ |!1Ls

, por fase, sendo !1 = 2⇡f1 a frequencia angular funda-

mental em (rad/s). O capacitor CC do VSC tem uma resistencia Rp

conectada em

paralelo para modelar as perdas CC do sistema.

Painel

PV

Barramento

CC

Sistema do VSC

Sistema CA

PPV

IPV

D1Dn

PCC

ICC

Rp

V

cc

V

cc

Ceq

MPPT e

controlador

de tensao

SVM

PW

M

controlador de corrente

e desacoplamento

m

dq

i

dq

i

⇤d

i

⇤q

v

dq

!

1

✓

p

t

q

t

vt

iR

L

abc

dq

DSOGIPLL

vpac

Transformador

de conexao

PAC

p

pac

q

pac

R

s

L

s

vs

Figura 28: Diagrama de esquematico do sistema de geracao fotovoltaico conectado arede eletrica de distribuicao.

Os paineis fotovoltaicos sao conectados em serie para se obter uma tensao no lado

Laboratório solar fotovoltaico da UFJF.


Fotografia da bancada desenvolvida

Laboratório solar fotovoltaico da UFJF.


Fotografias do inversor trifásico 75 kVA / 220 V


Formas de onda da tensão e corrente injetada na rede


Conclusões

Fontes alternativas de energia são hoje uma realidade e umanecessidade;

O domínio dessas tecnologias é fundamental para garantir odesenvolvimento e independência do Brasil;

Laboratório Solar Fotovoltaico da UFJF está em funcionamentopara atividades de ensino e pesquisa, produzindo de energialimpa e injetando na rede elétrica do campus da UFJF.


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