Materiais Eltricos

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MATERIAIS ELTRICOS: COMPNDIO DE TRABALHOS VOLUME 2

SUMRIO APLICAO DO SILCIO NA CONSTRUO DE CLULAS FOTOVOLTAICAS Christian Ktter Dobke ............................................................................................115 UTILIZAO DE LEOS BIODEGRADVEIS EM TRANSFORMADORES DE POTNCIA - David Valdir Gris ................................................................................132 LEO VEGETAL COMO FLUIDO ISOLANTE PARA TRANFORMADORES - Lincon Pieter Bavaresco .....................................................................................................153 DISPOSITIVOS BIMETLICOS - Felipe Aguiar Dias..............................................170 TERMOPAR - Renato Ferreira Simo.....................................................................181 DECTETORES INFRAVERMELHO - Eduardo Augusto Koehler ............................189 LASER - Mauro Disner Girardi ................................................................................216 HEXAFLUORETO DE ENXOFRE (SF6) - Evandro Junior Rodrigues .....................233

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APLICAO DO SILCIO NA CONSTRUO DE CLULAS FOTOVOLTAICAS Christian Ktter Dobke

1.

INTRODUO

Ainda que as bases tericas do efeito fotovoltaico j fossem conhecidas desde o incio do sculo XX, foi somente em 1954 que a Bell Telephone, em New Jersey, EUA, conseguiu produzir uma clula que aproveitasse este efeito com um rendimento razovel. Desde ento, o processo de purificao de monocristais de silcio tem se desenvolvido bastante, impulsionado principalmente pela indstria eletrnica. O efeito fotovoltaico acontece devido a uma diferena de potencial criada entre as duas faces da clula fotovoltaica, quando ocorre a incidncia da radiao solar sobre a mesma, dentro de uma faixa geralmente entre 350 e 1100 nanmetros de comprimento de onda. A incidncia dos ftons sobre a clula provoca o deslocamento de eltrons de uma face para outra, fluxo este que recolhido por uma malha metlica fixada sobre uma das faces de cada clula. Se a incidncia dos ftons se interrompe, o fluxo de eltrons tambm cessa espontaneamente. Para que este efeito ocorra, o material construtivo da clula deve ser prprio a possibilitar este efeito, sendo os materiais semicondutores bastante apropriados para esta aplicao. Destes, o silcio o mais utilizado por fatores como sua abundncia na crosta terrestre e o desenvolvimento expressivo de seu uso, proporcionado pela indstria de componentes de computadores. Existem, porm, clulas construdas com outros materiais, principalmente o glio, o cdmio, o cobre e o ndio. Alguns at apresentam rendimentos um pouco maiores do que o silcio, nesta aplicao. Porm, por motivos econmicos, o uso do silcio tem se mostrado imbatvel. A clula o menor elemento do sistema fotovoltaico, produzindo tipicamente potncias eltricas da ordem de 1,5 Watt-pico (correspondentes a uma tenso de 0,5 V e uma corrente de 3 A). Para obter potncias maiores, as clulas so ligadas em srie e/ou em paralelo, formando mdulos (tipicamente com potncias da ordem de 50 a 100 Wp) e painis fotovoltaicos (com potncias superiores).

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Hoje em dia, os sistemas fotovoltaicos so usados num conjunto vasto de aplicaes, de que se destacam: Aplicaes de mdia potncia (dezenas ou centenas de quilowatt): - Eletrificao rural: abastecimento de cargas domsticas em locais remotos sem rede, bombeamento de gua e irrigao, complemento de abastecimento de locais remotos com ou sem rede; - Produo descentralizada ligada rede. Aplicaes de pequena potncia (dcimas ou unidades de quilowatt): - Relgios e calculadoras; - Acessrios de veculos automveis, por exemplo, alimentao de ventoinhas para refrigerao de automveis estacionados, ou carregamento de baterias em veculos de campismo; - Sinais rodovirios (mveis e estticos) e parqumetros; - Telefones de emergncia, transmissores de TV e de telefonia mvel; - Frigorficos mdicos em locais remotos. Em muitas destas aplicaes, os sistemas fotovoltaicos substituem com vantagem outros meios de produo alternativos, designadamente nas aplicaes de pequena potncia, onde a sua difuso muito significativa. Por outro lado, foi por intermdio da indstria espacial, onde a vantagem competitiva dos sistemas fotovoltaicos significativa, que estes iniciaram o seu desenvolvimento. 1.1. APLICAES DE BAIXA POTNCIA Os painis solares tm uma pequena parte da produo mundial eltrica, o que atualmente se deve ao custo por watt maior que o dos combustveis fsseis, aproximadamente dez vezes maior, dependendo das circunstncias. Tornaram-se rotina em algumas aplicaes, tais como as baterias de suporte, alimentao de bias, antenas, dispositivos em estradas ou desertos, crescentemente em parqumetros e semforos, e de forma experimental so usados para alimentar automveis em corridas como a World Solar Challenge atravs de Austrlia. 1.2. APLICAES DE MDIA POTNCIA

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As aplicaes de mdia potncia (entre as dezenas e as centenas de quilowatt-pico) so aquelas que naturalmente mais interessam aos engenheiros eltricos. Os sistemas fotovoltaicos, sozinhos ou em associao com outras renovveis, so j competitivos para alimentao de certos locais remotos onde as solues alternativas convencionais (gerador diesel ou rede eltrica) so claramente inferiores do ponto de vista econmico e apresentam inconvenientes ambientais no negligenciveis. J no modo de funcionamento em produo descentralizada ligada rede de energia eltrica, a situao completamente diferente: os sistemas fotovoltaicos esto ainda longe de ser competitivos, quer com as fontes de produo convencionais, quer principalmente com outras energias renovveis. O elevado investimento e a baixa utilizao anual da potncia instalada so as principais razes para a fraca penetrao que se verifica nos sistemas ligados rede. Em aplicaes de mdia potncia, os painis fotovoltaicos podem ser operados principalmente de trs formas: Ligados rede de energia eltrica, qual entregam toda a energia que a radiao solar lhes permite produzir; para este efeito necessrio um inversor que serve de elemento de interface entre o painel e a rede, de modo a adequar as formas de onda das grandezas eltricas DC do painel s formas de onda AC exigidas pela rede. Em sistema isolado, alimentando diretamente cargas: neste modo de funcionamento, o critrio de dimensionamento a radiao disponvel no ms com menos sol, uma vez que necessrio assegurar o abastecimento durante todo o ano. Em associao com os coletores fotovoltaicos ainda necessrio dispor de: - Baterias, de modo a assegurar o abastecimento nos perodos em que o recurso insuficiente ou no est disponvel; as baterias so carregadas quando o recurso disponvel permite obter uma potncia superior potncia de carga. - Regulador de carga, que efetua a gesto da carga por forma a obter perfis compatveis com a radiao disponvel e com a capacidade das baterias. - Inversor, requerido se houver cargas alimentadas em AC. Em sistema hbrido, alimentando diretamente cargas isoladas, em conjunto com outros conversores de energias renovveis, por exemplo, o elico; neste modo de operao os dispositivos requeridos so os mencionados para o funcionamento

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em sistema isolado, podendo existir tambm um meio de produo convencional, geralmente o gerador diesel, para apoio e reserva. 2. CLULA FOTOVOLTAICA 2.1. ESTRUTURA MICROSCPICA Um tomo de silcio formado por quatorze prtons e quatorze eltrons. Na camada mais exterior, conhecida como banda de valncia, existem quatro eltrons. Quando se constitui um cristal de silcio, os tomos alinham-se segundo uma estrutura em teia (chamada teia de diamante), formando quatro ligaes covalentes com quatro tomos vizinhos, como se mostra na Figura 1.

FIGURA 1 Estrutura em teia de diamante de um cristal de silcio Em cada ligao covalente, um tomo partilha um dos seus eltrons de valncia com um dos eltrons de valncia do tomo vizinho. Como resultado desta partilha de eltrons, a banda de valncia, que pode conter at oito eltrons, fica cheia: os eltrons ficam presos na banda de valncia e o tomo est num estado estvel. Para que os eltrons se possam deslocar tm de adquirir energia suficiente para passarem da banda de valncia para a banda de conduo. Esta energia designada por gap e no caso do cristal de silcio vale 1,12 eV. Quando um fton da radiao solar contendo energia suficiente atinge um eltron da banda de valncia, este move-se para a banda de conduo, deixando uma lacuna no seu lugar, a qual

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se comporta como uma carga positiva. Neste caso, diz-se que o fton criou um par eltron-lacuna. Uma clula fotovoltaica constituda por cristais de silcio puro no produziria energia eltrica. Os eltrons passariam para a banda de conduo, mas acabariam por se recombinar com as lacunas, no dando origem a qualquer corrente eltrica. Para haver corrente eltrica necessrio que exista um campo eltrico, isto , uma diferena de potencial entre duas zonas da clula. Atravs do processo conhecido como dopagem do silcio, que consiste na introduo de elementos estranhos com o objetivo de alterar as suas propriedades eltricas, possvel criar duas camadas na clula: a camada tipo p e a camada tipo n, que possuem, respectivamente, um excesso de cargas positivas e um excesso de cargas negativas, relativamente ao silcio puro. O boro o dopante normalmente usado para criar a regio tipo p. Um tomo de boro forma quatro ligaes covalentes com quatro tomos vizinhos de silcio, mas como s possui trs eltrons na banda de valncia, existe uma ligao apenas com um eltron, enquanto as restantes trs ligaes possuem dois eltrons. A ausncia deste eltron considerada uma lacuna, a qual se comporta como uma carga positiva que viaja atravs do material, pois de cada vez que um eltron vizinho a preenche, outra lacuna se cria. A razo entre tomos de boro e tomos de silcio normalmente da ordem de 1 para 10 milhes. O fsforo o material usado para criar a regio n. Um tomo de fsforo tem cinco eltrons na sua banda de valncia, pelo que

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