Capítulo: 4Planejamento das Energias Renováveis:

Solar e Eólica

Universidade Federal de ParanáSetor de TecnologiaDepartamento de Engenharia Elétrica

Solar e Eólica

Parte V

Prof.: Clodomiro Unsihuay-Vila

Energia Fotovoltaica no Mundo

Energia Fotovoltaica no Mundo

Energia Fotovoltaica no Mundo

Mercado de Sistemas Fotovoltaicos

• Energia Fotovoltaica (reportagem 10 min.):

• https://www.youtube.com/watch?v=gzyit0sJcoU

• MPX - Ceará tem primeira usina de energia • MPX - Ceará tem primeira usina de energia

solar do Brasil (21 Min):

• https://www.youtube.com/watch?v=N9mxM

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Energia Fotovoltaica

Energia Fotovoltaica

Energia Fotovoltaica

• Irradiança (Radiaçao):

• Potencia por metro quadrado W/m2. Uma densidade de Potencia.

• Insolação(Irradiação): Energia por metro quadrado durante um período de tempo, recebida pelo sol ao nivel do solo em determinado local. Exemplo Wh/m2/dia.recebida pelo sol ao nivel do solo em determinado local. Exemplo Wh/m2/dia.

• Onde conseguir esses dados:– Mapas de insolação. Estudos de potencial solar.

– Base de dados: Sundata, calculadora solar, Radiasol, SWERA.

– Medições usando transdutores apropriados.

• Ainda segundo NOTA TÉCNICA EPE - Análise da Inserção da Geração Solarna Matriz Elétrica Brasileira (2012), a irradiação média anual brasileirana Matriz Elétrica Brasileira (2012), a irradiação média anual brasileiravaria entre 1.200 e 2.400 kWh/m2/ano, valores que são significativamentesuperiores a maioria dos paises europeus, cujas estatísticas indicamintervalos entre 900 e 1.250 kWh/m2/ano na Alemanha, entre 900 e 1.650kWh/m2/ano na França e entre 1.200 e 1.850 kWh/m2/ano na Espanha.

• Mesmo sendo bastante inferior às áreas de maior insolação, como asregiões secas de baixas latitudes como o nordeste brasileiro, Curitibaapresenta uma média de irradiação solar superior à Alemanha, que éícone mundial em produção e consumo de energia solar fotovoltaica e em2009 contava com cerca de 15 GW de potência instalados,correspondendo a cerca de 53% do potencial instalado mundial (EPIA,2011).

Movimentos da Terra

• http://www.youtube.com/watch?v=HB9-Eol7CGI

Ângulo azimutal

• A incidência dos raios solares na terra forma um ânguloque quando comparado com o norte geográfico échamado de azimutal, mudando com o passar do diaem função da trajetória do sol, ou seja, um observadorlocalizado no hemisfério sul olhando para o Norte,localizado no hemisfério sul olhando para o Norte,observará o Sol com ângulos variáveis ao longo do dia.

• Sendo que ao meio dia solar o ângulo azimutal seránulo ou zero estando o Sol exatamente em sua frente.Para observadores no hemisfério norte, o ânguloazimutal é tomado em relação ao sul geográfico.

• Para a correta instalação do módulo fotovoltaico deve-selevar em consideração o movimento do sol. Se um módulofor instalado com sua face voltada para o Leste, receberáraios solares apenas no período da manha, de maneiraanáloga se instalado com sua face voltada para o Oeste,receberá os raios solares apenas no período da tarde,gerando desta forma energia em apenas uma parte do dia.

• Assim conclui-se que a melhor forma é instalar o módulocom sua face captora voltada para o norte geográfico,resultando em um melhor aproveitamento da luz solar, poisresultando em um melhor aproveitamento da luz solar, poishá raios incidindo nos módulos durante todo o dia.

• Para encontrar o norte geográfico pode-se utilizar umabússola, pois a agulha da mesma sempre fica alinhada nosentido das linhas de campo magnético da Terra, porémpara descobrir a direção do norte geográfico deve-seutilizar um mapa ou uma tabela com os ângulos decorreção, estes ângulos variam com a localização geográfica

Altura solar

• A trajetória do Sol varia ao longo do ano, sendo que o Solnasce e se põe em diferentes pontos do céu, isso ocorredevido ao ângulo de declinação solar. Essa variação datrajetória do Sol faz com que o mesmo tenha diferentesalturas no céu, sendo que no verão a altura do Sol é maior,o que significa que os raios incidem na terra com umângulo azimutal menor e percorrem uma massa de aro que significa que os raios incidem na terra com umângulo azimutal menor e percorrem uma massa de arreduzida. Já no inverno ocorre o oposto.

• O ângulo que a trajetória do Sol faz com o plano horizontalé chamado de ângulo da altura solar . Este ângulo dependetambém da posição geográfica, sendo que quanto maispróximo a linha do equador maior a altura solar, o opostoocorre quando aproxima-se dos pólos.

Ângulo de incidência dos raios solares

• A forma como os raios solares incidem nasuperfície do módulo varia com vários fatores.O ângulo β de incidência dos raios solaressobre a superfície é definido em relação à retasobre a superfície é definido em relação à retaperpendicular à superfície do módulo. Esteângulo varia com a variação do ângulo daaltura solar . Tem-se o melhor aproveitamentoquando o ângulo β é zero, ou seja, a incidênciados raios é perpendicular ao módulo.

Escolha do ângulo de inclinação dos módulos solar

• Mecanismo de seguidor solar são justificados emaplicações de grande porte, com volume deenergia gerada elevada.

• Em sistemas de pequeno porte ângulo de• Em sistemas de pequeno porte ângulo deinclinação do painel fixo apresentam o melhorcusto benefício. Por isso, para se obter o melhorrendimento é fundamental que os módulossejam instalados com ângulos α adequados, poiseste muda conforme a localização do painel.

Escolha do ângulo de inclinação dos módulos solar

• É importante ressaltar que não se aconselha a instalação com ângulos menores que 10º para evitar o acúmulo de poeira sobre o módulo.

• É importante ressaltar que não se aconselha a • É importante ressaltar que não se aconselha a instalação com ângulos menores que 10º para evitar o acúmulo de poeira sobre o módulo.

Escolha do ângulo de inclinação dos módulos solar

• Exemplo: Centro Politécnico tem uma latitude de 25 S. Logo o ângulo de inclinação alfa recomendado é 30 graus.

Resumindo:

• Orientar o módulo com sua fase voltada para o norte geográfico.

• Ajustar o ângulo de inclinação do módulo com relação ao solo.com relação ao solo.

Energia Solar Fotovoltáica

Tecnologias de Celulas Fotovoltaicas

• https://www.youtube.com/watch?v=ZDnCiBl6lmI

• https://www.youtube.com/watch?v=XK6ylmGm74km74k

• Discovery:

• https://www.youtube.com/watch?v=lI4587Y8jFE

O efeito fotovoltaico

• O efeito fotovoltaico ocorre quando a luz incide em ummaterial semicondutor específico, como a célulafotovoltaica.

• Nela, o material semicondutor é composto por silício erecebe propriedades dopantes que o dividem eu duascamadas: de material N e de material P.camadas: de material N e de material P.

• O material N possui um excedente de elétrons e o material P apresenta falta de elétrons.

• Devido à diferença de concentração de elétrons nas duas camadas de materiais, os elétrons da camada N fluem para a camada P e criam um campo elétrico dentro de uma zona de depleção, também chamada de barreira de potencial, no interior da estrutura da célula.

O efeito fotovoltaico

• A camada superior de material N de uma célulafotovoltaica é tão fina que a luz pode penetrarnesse material e descarregar sua energia sobre oselétrons, fazendo com que eles tenham energiasuficiente para vencer a barreira de potencial emovimentar-se da camada P para a camada N.suficiente para vencer a barreira de potencial emovimentar-se da camada P para a camada N.

• Os elétrons em movimento são coletados peloseletrodos metálicos da célula fotovoltaica.

• Se houver um circuito fechado, os elétrons vãocircular em direção aos eletrodos da camada P,formando assim uma corrente elétrica.

Fonte: Prof. Gonzales.

Painel Fotovoltaico

Tecnologias de Celulas Fotovoltaicas

Silício Monocristalino

• A célula de silício monocristalino é a mais amplamente utilizadacomercialmente, de processo construtivo relativamente simples eboa eficiência comparada às células de cristal policristalino eamorfo, entre 12% e 16% para uso comercial.

• O silício é fundido juntamente com uma pequena quantidade dedopante tipo P, normalmente o Boro, e então cortada em finasfatias de aproximadamente 0,3 mm. Após o corte e limpeza defatias de aproximadamente 0,3 mm. Após o corte e limpeza deimpurezas, é adicionado o dopante tipo N.

• Uma célula monocristalina tem aspecto uniforme, podendoapresentar coloração azulada ou preta, dependendo do tipo detratamento antirreflexivo empregado. As células de silíciomonocristalino são as mais eficientes disponíveis comercialmenteem larga escala.

Silício Policristalino

• O silício policristalino tem um processo de fabricaçãomais simples, que utiliza temperaturas mais baixas doque as empregadas na fabricação do silíciomonocristalino o que acarreta uma perda na eficiência,chegando no máximo a 12,5%, mas ganha-se no baixochegando no máximo a 12,5%, mas ganha-se no baixocusto de fabricação.

• Os módulos fotovoltaicos policristalinos têm eficiênciasligeiramente inferior às dos seus concorrentesmonocristalinos, entretanto, as duas tecnologiascoexistem no mercado e apresentam relações custo-benefício muito próximas.

Sistemas Fotovoltaicos

• As células fotovoltaicas, devido a suasdimensões construtivas, apresentam baixatensão e corrente de saída, tipicamente 3 A e0,7 V para células de silício monocristalino.Sendo assim, agrupam-se várias célulasSendo assim, agrupam-se várias célulasfotovoltaicas para compor um módulofotovoltaico. Este arranjo geralmente é feitoem série, para se obter uma tensão de saídamais elevada e compatível com as tensões deconsumo, geralmente 12 ou 24 V.

Módulos fotovoltaicos

• A célula fotovoltaica é o menor dispositivo fotovoltaico existente.• Uma célula produz pouca eletricidade, então várias células são

ligadas sem série para produzir painéis ou módulos fotovoltaicos.• Um módulo fotovoltaico é composto de um número de células

coladas sobre uma estrutura rígida e ligadas eletricamente em sériepara proporcionar tensões de saída maiores.

• Os módulos fotovoltaicos de silício cristalino encontrados no• Os módulos fotovoltaicos de silício cristalino encontrados nomercado, como os ilustrados na Figuras, apresentam potências depico entre 85 W e 255 W. Suas tensões máximas de saída emcircuito aberto vão até aproximadamente 37 V e podem fornecerem torno de 8,5 A de corrente elétrica.

Módulos fotovoltaicos

Módulos fotovoltaicos

Características dos Módulos Fotovoltaicos

Características dos Módulos Fotovoltaicos

Características dos Módulos Fotovoltaicos

Características dos Módulos Fotovoltaicos

Características dos Módulos Fotovoltaicos

• O módulo de silício monocristalino tem comoreferência comercial o modelo HIP-215NKHE5 dofabricante SANYO, já o módulo de silício policristalinotem como referência comercial o modelo KD70SX-1Pdo fabricante KYOCERA.

• Outra informação importante na hora de especificar os• Outra informação importante na hora de especificar osmódulos fotovoltaicos é a dependência da tensão e dacorrente em função do nível de irradiação solar e atemperatura de operação do módulo. Estasinformações são importantes para dimensionarcorretamente os inversores, uma vez que estesapresentam uma faixa de tensão e corrente em queoperam com a máxima eficiência.

Sistemas Fotovolticos

• https://www.youtube.com/watch?v=6-uHVh5DLY4

• https://www.youtube.com/watch?v=TQClrWPcQuw

• https://www.youtube.com/watch?v=UI_gievm4Js

• https://www.youtube.com/watch?v=3dQ1doUa7lI

https://www.youtube.com/watch?v=KByyR8vKinw• https://www.youtube.com/watch?v=KByyR8vKinw

• https://www.youtube.com/watch?v=e4I3CKBbYuU

• https://www.youtube.com/watch?v=PCSFKqNBCJw

SFV Isolados ou Autonomos

Energia solar fotovoltaica – sistemas

conectados à rede elétrica

SFV conectados à rede elétrica

• https://www.youtube.com/watch?v=6OFJHUHYBWU

• https://www.youtube.com/watch?v=Jx0lQLavtkA• https://www.youtube.com/watch?v=Jx0lQLavtkA

• https://www.youtube.com/watch?v=ee5CSzJLWKU

• https://www.youtube.com/watch?v=gzyit0sJcoU

• https://www.youtube.com/watch?v=PCSFKqNBCJw