Curso de energia solar fotovoltaica

Curso de energia solar fotovoltaica

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Curso de energia solar fotovoltaica, a electricidade que vem do sol

I- Introdução II- Composição física e fabricação dos dispositivos fotovoltaicos III- Conceitos eléctricos IV- Curvas características das células fotovoltaicas V- Configuração de sistemas de produção fotovoltaicos VI- Dimensionamento de sistemas de produção fotovoltaicos e de bancos de baterias VII- Conexões e dimensionamento de condutores e cabos VIII- Instalação e manutenção

I- Introdução

Um sistema de produção electro-solar é uma fonte de energia que, através da utilização de células fotovoltaicas, converte directamente a energia luminosa em electricidade.

Vantagens fundamentais:

  • Não consome combustível

  • Não produz poluição nem contaminação ambiental

  • É silencioso

  • Tem uma vida útil superior a 20 anos

  • É resistente a condições climáticas extremas (granizo, vento, temperatura e humidade)

  • Não tem peças móveis e, portanto, exige pouca manutenção (só a limpeza do painel)

  • Permite aumentar a potência instalada por meio da incorporação de módulos adicionais

Principais aplicações:

Geralmente é utilizado em zonas afastadas da rede de distribuição eléctrica, podendo trabalhar de forma independente ou combinada com sistemas de produção eléctrica convencional. Suas principais aplicações são:

  • Electrificação de imóveis rurais: luz, TV, rádio, comunicações, bombas de água

  • Electrificação de cercas

  • Iluminação exterior

  • Sinalização

  • Protecção catódica

  • Barcos, roulotes

Componentes do sistema:

Corrente contínua 12V:

  • Paineis ou módulos de celulas fotovoltaicas

  • Suportes para os paineis

  • Regulador de carga de baterias e banco de baterias

Corrente alternada 110/220V:

Além dos elementos anteriores, entre as baterias e o consumo será necessário instalar um inversor de corrente com a potência adequada. O inversor converte a corrente contínua (DC) das baterias em corrente alternada (AC). A maioria dos electrodomésticos utiliza a corrente alternada.

ESQUEMA (Fig.1)

Este curso foi publicado originalmente por Panorama Energético . Traduzido, adaptado e reproduzido pela AMERLIS com autorização dos autores.
A Retscreen, do Canadá, produziu um software para elaborar projectos de fotovoltaico. Se quiser este software CLIQUE AQUI para efectuar o descarregamento (1721 k bytes). É gratuito. Se preferir o software em francês vá directamente ao sítio web da Retscreen .

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Actualizado em 05/Jun/01

II- Composição física e fabricação dos dispositivos fotovoltaicos

Efeito fotovoltaico: Os módulos são compostos de celulas solares de silício. Elas são semicondutoras de electricidade porque o silício é um material com características intermédias entre um condutor e um isolante.

O silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados obtem-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui electrões livres e portanto é um mau condutor eléctrico. Para alterar isto acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtem-se um material com electrões livres ou material com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invés de fósforo, obtem-se um material com características inversas, ou seja, défice de electrões ou material com cargas positivas livres (silício tipo P).

Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P (ver Figura 2).

Separadamente, ambas as capas são electricamente neutras. Mas ao serem unidas, exactamente na união P-N, gera-se um campo eléctrico devido aos electrões do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P.

Figura 2

Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fotões que a integram chocam-se com os electrões da estrutura do silício dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo eléctrico gerado na união P-N, os electrões são orientados e fluem da camada "P" para a camada "N".

Por meio de um condutor externo, conecta-se a camada negativa à positiva. Gera-se assim um fluxo de electrões (corrente eléctrica) na conexão. Enquanto a luz continue a incidir na célula, o fluxo de electrões manter-se-á.

A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente conforme a intensidade da luz incidente.

Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Como se viu anteriormente, ao unir-se a camada negativa de uma célula com a positiva da seguinte, os electrões fluem através dos condutores de uma célula para a outra. Este fluxo repete-se até chegar à última célula do módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria.

Cada electrão que abandona o módulo é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexão entre módulo e bateria contem o fluxo, de modo que quando um electrão abandona a última célula do módulo e encaminha-se para a bateria outro electrão entra na primeira célula a partir da bateria.

É por isso que se considera inesgotável um dispositivo fotovoltaico. Produz energia eléctrica em resposta à energia luminosa que entra no mesmo.

Deve-se esclarecer que uma célula fotovoltaica não pode armazenar energia eléctrica.

Tipos de células: Existem três tipos de células, conforme o método de fabricação.

  • Silício monocristalino: Estas células obtêm-se a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas quadradas finas (0,4-0,5 mm de espessura). A sua eficiência na conversão de luz solar em electricidade é superior a 12%.

  • Silício policristinalino: Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de bocados de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz solar em electricidade é ligeiramente menor do que nas de silício monocristalino.

  • Silício amorfo: Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal. Sua eficiência na conversão de luz solar em electricidade varia entre 5% e 7%.

Fabricação dos módulos fotovoltaicos:

O módulo fotovoltaico é composto por células individuais conectadas em série. Este tipo de conexão permite adicionar tensões. A tensão nominal do módulo será igual ao produto do número de células que o compõem pela tensão de cada célula (aprox. 0,5 volts). Geralmente produzem-se módulos formados por 30, 32, 33 e 36 células em série, conforme a aplicação requerida.

Procura-se dar ao módulo rigidez na sua estrutura, isolamento eléctrico e resistência aos factores climáticos. Por isso, as células conectadas em série são encapsuladas num plástico elástico (Etilvinilacelato) que faz também o papel de isolante eléctrico, um vidro temperado com baixo conteúdo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plástica multicamada (Poliéster) na face posterior. Em alguns casos o vidro é substituído por uma lamina de material plástico transparente.

O módulo tem uma moldura composta de alumínio ou poliuretano e caixas de conexões às quais chegam os terminais positivo e negativo da série de células. Nos bornes das caixas conectam-se os cabos que ligam o módulo ao sistema.

Etapas do processo de fabricação do módulo:

  • Ensaio eléctrico e classificação das células

  • Interconexão eléctrica das células

  • Montagem do conjunto. Colocação das células soldadas entre camadas de plástico encapsulante e laminas de vidro e plástico

  • Laminação do módulo. O conjunto é processado numa máquina semi-automática a alto vácuo que, por um processo de aquecimento e pressão mecanica, conforma o laminado.

  • Curagem. O laminado processa-se num forno com temperatura controlada no qual completa-se a polimerização do plástico encapsulante e alcança-se a adesão perfeita dos diferentes componentes. O conjunto, depois da curagem, constitui uma única peça.

  • Emolduração. Coloca-se primeiramente um selante elástico em todo o perímetro do laminado e a seguir os perfis de alumínio que formam a moldura. Usam-se máquinas pneumáticas para conseguir a pressão adequada. As molduras de poliuretano são colocadas por meio de máquinas de injecção.

  • Colocação de terminais, bornes, díodos e caixas de conexões

  • Ensaio final

Ensaio dos módulos Sobre os módulos deve medir-se e observar-se:

  • Características eléctricas operacionais

  • Isolamento eléctrico (a 3000 Volt de C.C.)

  • Aspectos físicos, defeitos de acabamento, etc

  • Resistência ao impacto

  • Resistência à tracção das conexões

  • Resistência à nevoa salina e à humidade ambiente

  • Comportamento a temperatura elevadas por períodos prolongados (100 graus Celsius durante 20 dias)

  • Estabilidade às mudanças térmicas (de -40º C a +90º C) em ciclos sucessivos

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Montado em 06/Abr/01

III- Conceitos eléctricos

Tensão e corrente: A electricidade é o fluxo de partículas carregadas (electrões) que circulam através de materiais condutores (como cabos ou barras de cobre). Estas partículas adquirem energia numa fonte (gerador, módulo fotovoltaico, bateria de acumuladores, etc) e transferem esta energia a uma carga (lâmpada, motor, equipamento de comunicações, etc.) e a seguir retornam à fonte para repetir o ciclo.

Se se imaginar um circuito básico como uma bateria de acumuladores conectada a uma lâmpada ter-se-á o indicado na figura 3:

A bateria de acumuladores é uma fonte de electricidade, ou uma força electromotriz (fem). A magnitude desta FEM é o que chamamos tensão e mede-se em Volts.

Estes conceitos podem ser melhor compreendidos se se fizer analogia a um sistema de bombagem de água. Assim, substituir-se-á o fluxo de electrões por água, a fonte de tensão por uma bomba de água e o cabo por uma tubagem.

Ter-se-á então:

MODELO ELÉCTRICO

MODELO HIDRÁULICO

Corrente eléctrica é o fluxo de electrões através de um cabo

Mede-se em Amperes.

 

Caudal de água é o fluxo de água através de uma tubagem. Mede-se em litros/seg.

A fonte de energia eléctrica entrega tensão aos electrões, ou seja, capacidade de realizar trabalho. A tensão mede-se em Volts.

 

A bomba de agua entrega pressão à mesma. A pressão mede-se em kg/cm2 (ou em mm de coluna de água).

Os electrões perdem sua energia ao passar por uma carga. Aqui é que se realiza o trabalho.

A água perde sua pressão ao passar por uma turbina. Aqui é que se realiza o trabalho.

Ligação em série

Se os elementos de um circuito se conectarem em série , isso quer dizer que todo o fluxo (de electrões ou de água) deve passar por cada um dos seus elementos.

    Exemplo: No caso da bombagem de água, se se quiser elevá-la a uma altura de 20 m para logo a seguir fazê-la passar por uma pequena turbina deveriamos conectar a bomba e a turbina em série, como mostra a fig. 5. Todo o caudal que passa pela bomba também passará pela turbina e pelas tubagens.

Figura 5

Portanto, o fluxo é constante em qualquer ponto do circuito. Se se quisesse elevar o mesmo caudal ao dobro da altura (40 m) deveriam conectar-se duas das bombas mencionadas em série.

Isto equivale a dizer que numa ligação em série as pressões somam-se.

Recordando a analogia eléctrica, o equivalente de pressão é tensão . Portanto se se dispuser de dois módulos fotovoltaicos em que cada um entregasse 12 Volts, 2 Amperes e se pretendesse implementar um sistema de 24 Volts e 2 Amperes dever-se-ia montar um circuito conforme a fig. 6.

Figura 6

Conclusão :   Quando se ligam módulos em série, a tensão resultante é a soma das tensões de cada um deles e a corrente resultante coincide com a menor das correntes entregues pelos módulos.

Ligação em paralelo

Se a necessidade fôsse de elevar a 20 m de altura o dobro do caudal mencionado anteriormente deveriam conectar-se duas bombas, conforme mostra a figura 7. Esta é uma ligação em paralelo.

Fig.7

Cada bomba elevará um caudal semelhante, passando pela turbina a soma de ambos. Não há qualquer diferença de pressão entre a água bombeada pela primeira e pela segunda bomba e, portanto, toda a água cairá da mesma altura contribuindo com igual pressão.

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