Aproveitamento de Energia Solar – Caracterização de um painel fotovoltaico 1/17

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Aproveitamento de Energia Solar

Caracterização de um painel fotovoltaico

Projeto FEUP 2016/2017 - Mestrado Integrado de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

Manuel Firmino da Silva Torres Sara Maria Pinho Ferreira

1MIEEC8 - Equipa 1:

Supervisor: Vítor Grade Tavares Monitor: Alexandre Carvalho Truppel

Estudantes & Autores:

Francisco Pereira up201605306@fe.up.pt Heber Ribeiro up201609026@fe.up.pt

João Gomes up201608581@fe.up.pt Joaquim Rua up201606211@fe.up.pt

Sílvia Faria up201603368@fe.up.pt

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Resumo

Este trabalho foi realizado no âmbito da disciplina Projeto FEUP, do 1º ano do Mestrado

Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Faculdade de Engenharia da

Universidade do Porto. Os principais objetivos foram os seguintes:

Ganhar experiência no manuseio de equipamentos de medida, como o multímetro;

Familiarização e realização de montagens elétricas em placas de montagem;

Determinar a característica I-V de um painel fotovoltaico e interpretar o

comportamento da célula, quando sujeita a diferentes tipos de iluminação e

sombreamento.

O método experimental passou por criarmos vários cenários para o painel solar.

Executámos as medições da diferença de potencial e da intensidade da corrente no circuito

elétrico quando o painel solar utilizava a luz de uma lâmpada incandescente e de uma

lâmpada LED com resistências fixas de diferentes capacidades e com um reóstato.

Descobrimos a influência que o comprimento de onda tem sobre o desempenho do painel

solar e determinámos as curvas características I-V. Por fim ligamos dois painéis inicialmente

em paralelo e em seguida em série, e em cada um dos casos verificamos a corrente curto-

circuito e a tensão do circuito aberto. Por fim repetimos o mesmo processo só que ligando um

LED aos terminais e observamos a intensidade da luz do LED sem e com um dos painéis

sombreados, registando também os valores da tensão e da corrente elétrica. Esta última

experiência foi apenas realizada com a lâmpada incandescente.

Palavras-chave:

Painel fotovoltaico, Energia Solar, Diferença de potencial, Corrente elétrica, Resistências.

Material:

Placa de montagem

Painel fotovoltaico

Resistências (22kΩ, 18kΩ, 12kΩ, 8k2Ω, 6k8Ω, 5k6Ω)

Potenciómetro

LED

Multímetro

Lâmpada incandescente

Lâmpada LED

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Lista de Figuras

Figura 1 - Fórmula da Lei de Ohm.

Figura 2 - Esquema de montagem do circuito da experiência inicial.

Figura 3 - Montagem do circuito da experiência inicial.

Figura 4 - Tabela de resultados da experiência inicial.

Figura 5 - Gráfico U/I resultante após incidência no painel de energia luminosa proveniente

da lâmpada incandescente.

Figura 6 - Gráfico U/I resultante após incidência no painel de energia luminosa proveniente

da lâmpada LED.

Figura 7 - Esquema da montagem da segunda experiência com o reóstato.

Figura 8 - Imagem do circuito montado na placa (segunda experiência).

Figura 9 - Gráfico da curva de característica para a lâmpada de incandescência (segunda

experiência).

Figura 10 - Gráfico da curva de característica para a lâmpada LED (segunda experiência).

Figura 11 - Gráfico da potência em função da tensão para a lâmpada de incandescência

(segunda experiência).

Figura 12 - Gráfico da potência em função da tensão para a lâmpada LED (segunda

experiência).

Figura 13 - Esquema de montagem de painéis em paralelo (experiência final).

Figura 14 - Esquema de montagem de painéis em série (experiência final).

Figura 15 - Esquema de montagem dos PVP em paralelo com LED (experiência final).

Figura 16 - Montagem dos PVP em paralelo com o LED (experiência final).

Figura 17 - Esquema de montagem dos PVP em série com LED (experiência final).

Figura 18 - Montagem dos PVP em série com o LED (experiência final).

Lista de Acrónimos

I – Intensidade de corrente;

V – Diferença de potencial;

mA – miliampere;

V (unidade) – volt.

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Índice

Resumo ........................................................................................................................... 2

Palavras-chave ............................................................................................................... 2

Material ............................................................................................................................ 2

Lista de Figuras .............................................................................................................. 3

Lista de Acrónimos ........................................................................................................ 3

Introdução ....................................................................................................................... 5

Material a utilizar e aspetos teóricos fundamentais sobre circuitos .......................... 6

Material ....................................................................................................................... 6

Aspetos teóricos fundamentais ................................................................................... 6

Caracterização de um painel fotovoltaico .................................................................... 8

Experiência inicial ....................................................................................................... 8

Metodologia ............................................................................................................. 8

Resultados .............................................................................................................. 9

Discussão de resultados .......................................................................................... 9

Segunda experiência ................................................................................................. 10

Metodologia ........................................................................................................... 10

Resultados ............................................................................................................ 11

Discussão de resultados ........................................................................................ 12

Análise qualitativa do efeito que o sombreamento do painel tem sobre a energia

fornecida à carga .......................................................................................................... 13

Experiência final ........................................................................................................ 13

Metodologia ........................................................................................................... 13

Resultados ............................................................................................................ 14

Discussão de resultados ........................................................................................ 15

Em contexto real .................................................................................................... 15

Conclusão ..................................................................................................................... 16

Bibliografia.................................................................................................................... 17

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Introdução

No âmbito do Projeto FEUP, foi-nos proposto realizar um trabalho prático constituído por

uma série de experiências relacionadas com circuitos elétricos e painéis fotovoltaicos.

Este trabalho prático permitiu a conquista de familiaridade no uso de equipamento básico

de medida (multímetro), assim como com software de folha de cálculo e visualização gráfica

de dados (Microsoft Excel). Ficámos também com a noção de como realizar montagens de

circuitos elétricos em placas de montagem.

Para além disso, adquirimos novos conhecimentos sobre painéis fotovoltaicos, tais como

poder estudar a resposta de um painel fotovoltaico ao determinar a sua caraterística I-V

experimentalmente e como relacionar o seu comportamento com os diferentes níveis de

iluminação e sombreamento.

Com este relatório, vamos abordar os diferentes passos na realização do trabalho prático,

explicando como procedemos em todos eles, os materiais utilizados e as leis e equações em

que nos baseamos.

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Material a utilizar e

aspetos teóricos fundamentais sobre circuitos

Material

Para realizar as diferentes experiências é necessário ter o material indicado e saber

utilizá-lo corretamente. Segue-se uma lista dos instrumentos utilizados e uma breve

explicação da função de cada um deles:

Placa de montagem (breadboard) – É uma placa com orifícios e conexões

condutoras para a montagem de circuitos elétricos experimentais.

Painel fotovoltaico – Dispositivo composto por várias células fotovoltaicas que

convertem energia da luz solar em energia elétrica.

Resistência – Dispositivo que limita a corrente elétrica num circuito.

Potenciómetro – Resistência de três terminais em que a conexão central é

manipulável, permitindo assim ajustar a resistência elétrica.

Multímetro – Instrumento de medida elétrica, capaz de realizar a medição elétrica

de três tipos diferentes: Voltímetro, Amperímetro e Ohmímetro.

Lâmpada incandescente – Dispositivo que transforma energia elétrica em energia

luminosa. Quando a corrente elétrica passa pelo filamento dentro da lâmpada, este

aquece e emite luz.

LED – Díodo emissor de luz, utilizado para emitir luz como sinal de aviso nesta

experiência.

Lâmpada LED – Lâmpada que utiliza díodo emissor de luz para emitir luz.

Aspetos teóricos fundamentais

Para além do material essencial, é também muito importante que se conheçam bem as

leis e equações a utilizar, assim como outros conceitos teóricos para a realização das

experiências:

Diferença de potencial ou tensão elétrica – A diferença de potencial é a diferença de

energia potencial elétrica entre dois pontos. Por outras palavras, é o trabalho realizado para

que se movimente uma carga elétrica entre dois pontos. A sua unidade de medida é o Volt

(V).

Corrente elétrica – A corrente elétrica é o deslocamento de cargas elétricas sob a forma

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de eletrões (no caso dos metais). A sua unidade de medida é o Ampere (A).

Fonte de tensão – A fonte de tensão é o dispositivo responsável por impor uma diferença

de potencial nos seus terminais, independentemente da corrente que os percorre. Isto

significa que irá fornecer a corrente necessária para manter os seus terminais numa tensão

de trabalho.

Lei de Ohm – A lei de Ohm, formulada pelo físico alemão Georg

Simmon Ohm, relaciona as três grandezas elétricas principais e

demonstra como elas estão intimamente ligadas.

Para um condutor mantido a temperatura constante, a

intensidade da corrente elétrica será proporcional à diferença de

potencial aplicada entre as suas extremidades, ou seja, a sua

resistência elétrica é constante.

Figura 1 - Fórmula da Lei de Ohm.

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Caracterização de um painel fotovoltaico

Experiência inicial

Metodologia:

Proceder á montagem do circuito pretendido (fig. 2) na placa de montagem (breadboard).

Para tal é necessário ligar os dois multímetros ao circuito de forma a obter os valores de

tensão e de corrente. Desta forma é imperativo a ligação de um multímetro em paralelo com

a resistência de forma a ser obtida a tensão e um segundo multímetro ligado em série com a

resistência de forma a ser obtida a intensidade de corrente. Após verificar a montagem do

circuito ligamos então os terminais do painel fotovoltaico a este, em que o terminal positivo e

o terminal negativo são conectados ás suas entradas respetivas.

Estando o circuito montado, é fornecida ao painel fotovoltaico energia luminosa através

de uma lâmpada incandescente, sendo para esta registados os valores de tensão e corrente.

De seguida troca-se a lâmpada incandescente por uma lâmpada LED e volta-se a registar os

valores de tensão e corrente. Todo este processo é executado para resistências de 22kΩ,

18kΩ, 12kΩ, 8k2Ω, 6k8Ω e 5k6Ω.

Figura 3 - Montagem do circuito.

Figura 2 - Esquema de montagem do circuito.

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Resultados:

Discussão de resultados:

Traçando então os gráficos da caraterística U/I dos painéis fotovoltaicos podemos

observar desde já que existe uma diferença entre os valores de corrente e de tensão

produzidos pela lâmpada incandescente e pela lâmpada LED. É possível denotar que o painel

fotovoltaico vai funcionar como um maior produtor de tensão e corrente elétrica quando

incidido sobre este a lâmpada incandescente.

Podemos também comprovar e verificar a presença da Lei de Ohm, apesar de alguns

desvios, resultantes de dissipações de energia.

Resistencia I(mA) V (V) I(mA) V(V)

22kΩ 0,34 7,41 0,28 6,21

18kΩ 0,41 7,40 0,33 5,98

12kΩ 0,63 7,39 0,5 5,94

8k2Ω 0,92 7,38 0,72 5,87

6k8Ω 1,10 7,37 0,87 5,82

5k6Ω 1,32 7,35 1,03 5,77

Incandescente LED

Figura 4 - Tabela de resultados da experiência inicial.

Figura 5 - Gráfico U/I resultante após incidência no painel de energia luminosa proveniente da lâmpada incandescente.

Figura 6 - Gráfico U/I resultante após incidência no painel de energia luminosa proveniente da lâmpada LED.

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Segunda experiência

Metodologia:

A segunda experiência teve como objeto determinar a curva de característica do painel

fotovoltaico. Para isso é necessário usar um reóstato em alternativa às, anteriormente

utilizadas, resistências fixas, tal como mostra o esquema da figura 7. Montar o painel

fotovoltaico à placa de montagem e ligar o amperímetro e o voltímetro, em série e em paralelo

respetivamente, com o objetivo de medirmos a corrente de curto-circuito para que, se fosse

necessário repetir a experiência, existisse a possibilidade de posicionar o candeeiro a uma

distância parecida de modo a obter a mesma situação eliminando deste modo erros.

De seguida, implementar a resistência variável de capacidade máxima de 4k7ohms no

circuito, tal como está exemplificado na figura 8. Registar os valores da intensidade da

corrente e da diferença de potencial do circuito à medida que alterávamos o valor da

resistência variável. Para uma curva de característica mais exata são registados os valores

da intensidade da corrente e da diferença de potencial em mais pontos ao longo da

experiência, isto é, alterar os valores da resistência em intervalos menores.

A primeira vez é realizada usando uma lâmpada de incandescência no candeeiro. Após

terem sido registados valores suficientes para uma boa curva de característica (figura 9) trocar

a lâmpada de incandescência por uma lâmpada LED e repetir o procedimento.

Para obter a curva de característica usar os valores da intensidade da corrente em função

dos valores da diferença de potencial.

Depois de registados todos os valores, fazer os gráficos da potência em função da tensão

da corrente para a lâmpada de incandescência e a lâmpada LED, figuras 11 e 12

respetivamente. Calcular o máximo das funções que melhor se adaptam as curvas do gráfico

e testar se é possível calcular uma resistência para a potência máxima.

Figura 7 - Esquema da montagem com o reóstato.

Figura 8 - Imagem do circuito montado na placa.

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Resultados:

Os últimos pontos da metodologia experimental permitiram a obtenção dos seguintes

resultados:

y = -0.0515x3 + 0.3245x2 - 0.6535x + 4.088

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 6Co

rren

te E

létr

ica-

I (m

A)

Tensão-V (V)

Lâmapada LED

y = -0.2853x3 + 3.0034x2 - 9.1091x + 34.178

0

5

10

15

20

25

30

35

0 2 4 6 8 10

Co

rren

te E

létr

ica-

I (m

A)

Tensão-V (V)

Lâmpada incandescente

Figura 9 - Gráfico da curva de característica para a lâmpada de incandescência.

Figura 10 - Gráfico da curva de característica para a lâmpada LED.

Aproveitamento de Energia Solar – Caracterização de um painel fotovoltaico 12/17

Com base nestes primeiros resultados foi possível traçar ainda mais dois gráficos,

ambos resultantes da utilização da potência em função da tensão.

Discussão de resultados:

Conclui-se que à medida que a resistência aumenta, na situação em que é usada a

lâmpada LED, os valores da intensidade da corrente diminuem e os valores da tensão da

corrente aumentam variando em intervalos superiores aos da intensidade. Quando usada a

lâmpada de incandescência ambas as grandezas atingem valores superiores aos resultados

da situação da lâmpada LED e a intensidade da corrente diminui variando em intervalos muito

superiores do que a tensão que aumenta.

y = -6.7012x2 + 65.52x - 37.778

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 2 4 6 8 10

Po

tên

cia-

P (

mW

)

Tensão-V (V)

Lâmpada incandescente

y = -0.7449x2 + 6.066x - 0.8471

-5

0

5

10

15

0 1 2 3 4 5 6

Po

tên

cia-

P (

mW

)

Tensão-V (V)

Lâmpada LED

Figura 11 - Gráfico da potência em função da tensão para a lâmpada de incandescência.

Figura 12 - Gráfico da potência em função da tensão para a lâmpada LED.

Aproveitamento de Energia Solar – Caracterização de um painel fotovoltaico 13/17

Análise qualitativa do efeito que o sombreamento do painel tem

sobre a energia fornecida à carga

Experiência final

Metodologia:

Primeiro, usando a placa de montagem ligar dois painéis fotovoltaicos iguais em paralelo,

como podemos observar na figura 13, interligando os terminais positivos entre si, assim como

os terminais negativos. Montar também na placa, juntamente com os painéis dois multímetros,

com o objetivo de em cada um deles observarmos e registamos os valores da corrente elétrica

e da tensão. A seguir colocar direcionado para os painéis um candeeiro com uma lâmpada

incandescente e após estar tudo montado registar os valores da corrente curto-circuito e a

tensão de circuito aberto.

Seguidamente faz-se a mesma montagem. Só que desta vez ligam-se os dois painéis

em série, como podemos ver na figura 14, conectando o terminal positivo de um painel ao

terminal negativo do outro. Colocar o mesmo candeeiro sobre eles efetuar os registos que se

efetuou na ligação em paralelo.

Após terminado, repetir o mesmo processo de montagem em paralelo e em série, mas

ligando um LED aos terminais do agregado, como mostram as figuras 15, 16 e 17, 18

respetivamente, e observar a intensidade do LED e registar os valores da tensão e da

intensidade.

Depois, para cada uma das montagens feitas com o LED, sombrear apenas um dos

painéis com um cartão e registar também os valores da diferença de potencial e da corrente.

Observar o que aconteceu à intensidade luminosa do LED em cada um dos casos e registar

o observado.

Figura 13 - Esquema de montagem de painéis em paralelo. Figura 14 - Esquema de montagem

de painéis em série.

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Resultados:

Painéis em paralelo:

Curto-circuito:

I=19.35mA

V=0.133V

Circuito aberto:

I=0mA

V=7,31V

LED ligado aos painéis em paralelo:

Sem sombreamento:

I=18.80mA

V=2.097V

Com sombreamento:

I=9.82mA

V=1.998V

Figura 15 - Esquema de montagem dos PVP em paralelo com LED.

Figura 17 - Esquema de montagem dos PVP em série com LED.

Painéis em série:

Curto circuito:

I=10.06mA

V=0.066V

Circuito aberto:

I=0mA

V=3.55V

LED ligado aos painéis em série:

Sem sombreamento:

I=9.79mA

V=3.81V

Com sombreamento:

I=0.64mA

V=1.776V

Figura 16 - Montagem dos PVP em paralelo com o LED.

Figura 18 - Montagem dos PVP em série com o LED.

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Discussão de resultados:

Sendo os dois painéis fotovoltaicos idênticos, quando estes são montados em paralelo, a

corrente de curto-circuito vai para cerca do dobro daquela que um painel único apresenta,

dado que a corrente de um painel é somada a do outro. Quando montados em série a corrente

de curto-circuito é sensivelmente a mesma, ou seja, não é afetada, uma vez que as correntes

destes painéis não se sobrepõem uma à outra.

Quando se fala em tensão de circuito aberto e os painéis fotovoltaicos idênticos são

ligados em paralelo a tensão de circuito aberto mantém-se mais ou menos a mesma que um

único painel apresentaria, ou seja, permanece inalterada, pois as tensões de cada um dos

painéis não se sobrepõem. Já quando as células são ligadas em série a tensão de circuito

aberto aumenta aproximadamente para o dobro porque as tensões destas são adicionadas.

Na montagem dos painéis em paralelo e com o LED ligado aos terminais do agregado, e

após o sombreamento de uma das células, verificou-se que a tensão com e sem

sombreamento é idêntica. Já com a corrente de curto-circuito, o que acontece é que esta

baixa praticamente para metade. Relativamente ao brilho do LED verificasse que este diminui

um pouco quando um dos painéis está sombreado, mas sem grande significado. Já quando

os painéis estão montados em série a diferença de potencial diminui sensivelmente para

metade, a intensidade baixa praticamente para zero e o LED apaga.

Por fim falta mencionar que a intensidade é menor quando a ligação é feita em série, pois

as correntes não se somam e a intensidade em prol da tensão é linear, ou seja I é diretamente

proporcional a V.

Em contexto real:

As sombras que podem surgir nos módulos fotovoltaicos produzem consequências

negativas no que respeita a sua segurança e a sua eficiência.

No entanto na maioria destas situações as sombras são de natureza temporária, uma vez

que resultam de fenómenos naturais muitas vezes imprevisíveis. Este sombreamento

temporário resulta por exemplo de sujidade de proveniência diversa como dejetos de

pássaros, poeiras de zonas industriais e presença de folhas secas. Mesmo as nuvens ou a

neve que se possa depositar sobre os módulos fotovoltaicos causam sombreamento, mas a

ocorrência de nuvens é aquela que assume um carácter verdadeiramente transitório.

Logo, os painéis devem ter manutenção periódica e devem ser limpos de forma a que os

mesmos não percam a sua eficiência.

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Conclusão

A elaboração do presente relatório, bem como toda a parte empírica que neste resultou,

presenteou todos os membros do grupo com um conhecimento mais aprofundado sobre as

características de um painel fotovoltaico e o comportamento deste quando submetido a

condições variáveis e/ou distintas.

Os painéis fotovoltaicos quando usados, são-no tendo em mente a maior produção de

energia elétrica possível, ou por outras palavras, um rendimento mais alto possível. Assim, é

essencial o estudo destes e principalmente do seu comportamento quanto às características

relacionadas com a produção de energia, ou seja, relações entre tensão, intensidade de

corrente e potência, permitindo, posteriormente, uma otimização do aparelho.

Foi concluído, então, que o painel fotovoltaico é um aparelho bastante sensível a

mudanças no ambiente que o rodeia e para além disso, e também por causa disso, está longe

de ser considerado ótimo em termos de rendimento, contudo, existe a possibilidade de manter

os níveis deste elevados, que revolvem à volta de uma manutenção cuidada e assídua do

painel, favorecer a instalação destes em paralelo e a sua colocação em zonas onde a

intensidade luminosa é maior.

Aproveitamento de Energia Solar – Caracterização de um painel fotovoltaico 17/17

Bibliografia

[1] (26/10/2016) Questões Cosmológicas – lei-Ohm,

https://questcosmic.files.wordpress.com/2013/03/lei-ohm.jpg

[2] (27/10/2016) SILVEIRA VALENTE, Miguel Ângelo – Caracterização Automática de

um Painel Fotovoltaico, https://run.unl.pt/bitstream/10362/6110/1/Valente_2011.pdf

[3] (27/10/2016) da SILVA FALCÃO, Aline Damm – Medição das características de um

Painel Solar Fotovoltaico, http://www.lee.eng.uerj.br/~jpaulo/PG/2015/Relatorio-IC-2014-

2015-Painel-Solar.pdf

[4] (27/10/2016) Mppt Solar – Ligação em série de mais painéis solares,

http://www.mpptsolar.com/pt/paineis-solares-em-serie.html

[5] (27/10/2016) TAVARES PINHO, João, GALDINO, Marco António – Manual de

Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, http://www.portal-energia.com/downloads/livro-

manual-de-engenharia-sistemas-fotovoltaicos-2014.pdf

[6] (27/10/2016) CARNEIRO, Joaquim – Módulos Fotovoltaicos

https://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/16961/1/M%C3%B3dulos%20Fotovoltai

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