Energia Solar / Célula Fotovoltaica

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Célula Fotovoltaica

Uma célula fotovoltaica (CF) não é mais que um díodo semicondutor especial que converte luz visível, radiação infra-vermelha ou radiação ultra-violeta directamente em electricidade.
Quando é usada para obter electricidade a partir da luz solar, este tipo de dispositivo é conhecido pelo nome de célula solar.
Um dos tipos mais comuns de CF é feita a partir de silício tratado e é conhecida por célula fotovoltaica de silício.

Estrutura e Funcionamento

A estrutura básica de uma CF é mostrada na figura seguinte.

É feita a partir de dois tipos de silício, chamados tipo P e tipo N. O coração do dispositivo é a superfície em que os dois tipos se juntam, conhecida como junção P-N.
A parte de cima do conjunto é transparente de forma a que a luz possa incidir directamente na junção.
O eléctrodo positivo é feito de barras de metal paralelas e interligadas por fios muito finos. O eléctrodo negativo é uma base de metal chamada de substrato, que é posta em contacto com o silício tipo N.
Quando a energia radiante bate na junção P-N, desenvolve-se uma tensão eléctrica entre o material tipo P e o material tipo N. Quando ligamos uma carga (dispositivo eléctrico receptor) à célula, a intensidade de corrente através dessa carga aumenta na proporção do brilho da luz incidente na junção P-N da célula – até um certo valor.
À medida que a luz incidente aumenta e passa esse ponto crítico, os níveis de corrente deixam de aumentar num valor máximo chamado corrente de saturação.
A relação entre a potência obtida na saída e a potência da luz incidente na CF é chamada de eficiência ou eficiência de conversão da célula.

Tensão, Corrente e Potência
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A maioria das células solares fornece aproximadamente 0.5 V DC quando não há qualquer carga ligada na saída.
Se a corrente pedida por uma carga ligada for pequena, mesmo uma luz não muito brilhante consegue gerar a tensão eléctrica necessária na saída (Vout) da célula.
À medida que a corrente pedida pela carga à célula aumenta torna-se necessária luz mais brilhante a incidir na mesma para satisfazer essas necessidades, ou seja, manter o Vout nominal da célula.
Há um limite máximo para o valor de corrente que uma célula solar consegue fornecer, mesmo que a luz incidente seja muito, muito brilhante. É chamada de corrente máxima disponível e pode ser simbolizada por Imax. O valor de Imax de uma CF depende da área da superfície da junção P-N e da tecnologia utilizada no fabrico do dispositivo.
O valor máximo de potência disponível (Pmax) para uma CF, em watts, é igual ao produto de Vout, em volts por Imax, em amperes:

Pmax = 0.5 Imax

Ligações em Paralelo e em Série

Normalmente as células solares são ligadas em série e/ou em paralelo, de forma a obter um valor maior de potência na saída do que aquele que é possível obter com uma única célula.
Quando várias células são ligadas em série, o valor de Vout aumenta.
Quando várias células são ligadas em paralelo, o valor de Imax aumenta. Neste caso, o valor de Imax do conjunto é igual ao Imax de uma célula a multiplicar pelo número de células ligadas em paralelo.
O valor de Pmax de uma matriz de células iguais ligadas em paralelo-série é igual ao valor de Pmax de uma célula a multiplicar pelo número total de células.
Como exemplo demonstrativo consideremos que temos ligados em paralelo 10 conjuntos de 36 células ligadas em série, e que cada conjunto de 36 células ligadas em série tem Imax = 2.2 A
Podemos calcular os seguintes valores para a matriz (conjunto total):
Vout = 36 x 0.5 = 18 V
Imax = 10 x 2.2 = 22 A
Pmax = Vout x Imax = 18 V x 22 A = 396 W
Este valor é teórico e não real, pois na prática o valor de Vout do conjunto é sempre um pouco abaixo do teórico uma vez que as próprias células têm resistência interna que, quando se liga uma carga, faz com que parte da tensão gerada seja “consumida” pelas próprias células.
Por exemplo no nosso caso, 14 V em vez de 18 V seria uma boa aproximação prática.

Montagem e Localização

Um painel solar produz a máxima potência quando é montado no exterior de tal forma que os raios solares incidam directamente na sua superfície. Contudo a orientação não é crítica. Mesmo com um ângulo de incidência de 45º em relação aos raios solares, o painel solar recebe 71% da energia que receberá quando estiver com uma orientação óptima. E um desalinhamento de 15º não faz qualquer diferença significativa.
Os painéis solares devem ser localizados onde recebam o máximo de luz solar possível, tendo em conta a média diária e a média anual.
As montagens devem ser suficientemente firmes de modo a não serem derrubados ou fortemente desalinhados por ventos fortes.
Um dos tipos de montagem mais utilizados consiste em montar um painel solar, ou um conjunto de painéis, directamente num telhado que esteja voltado a Sul (no hemisfério Norte).

O modo ideal de fazer deslocar o painel para que este mude de orientação é através de um motor equatorial, similar àqueles que vemos nos telescópios mais sofisticados. Tal permitiria ao painel seguir o sol durante todo o dia, e durante todos os dias do ano. Todavia, tal sistema é economicamente incomportável para a maioria das pessoas.
Então, a solução mais adequada é montar um rolamento único que permita que o painel seja inclinado manualmente ao longo das estações, mantendo no entanto a sua orientação sempre a Sul.
É o que podemos ver na figura anterior.
As montagens que aí vemos trabalham bem para localidades em que a latitude esteja entre 20º de latitude norte (20º N) e 60º de latitude norte (60º N), o que acontece com todo o nosso país.
Na figura A o ângulo x deve ser colocado a 90º menos a latitude do local em que é montado.
No caso de termos o tal rolamento montado devemos alinhar o painel da seguinte maneira:
– De 21 de Setembro a 20 de Março (Outono e Inverno) o ângulo y deve ser colocado a 78º menos a latitude do local;
– De 21 de Março a 20 de Setembro (Primavera e Verão), o ângulo z deve ser colocado a 102º menos a latitude do local.

Problema

Suponha que são fabricados um grande número de módulos solares, cada qual constituído por 56 células fotovoltaicas idênticas e ligadas em série. Cada célula fotovoltaica fornece exactamente 0.5 V a 2 A com um sol brilhante. Você constrói dois painéis, cada um deles consistindo em 20 desses módulos ligados em paralelo. Depois liga esses dois painéis em série. Suponha que o fabricante dos módulos lhe diz que em carga a tensão na saída cairá 10% comparado com o valor teórico (sem carga).
Quais são os valores práticos de Vout, Imax, e Pmax para este tipo de arranjo?

Solução

Vamos calcular a tensão de saída teórica (Vout-teo) e depois reduzir esse valor em 10% para encontrar o valor real da tensão de saída, Vout.
Depois calculamos Imax para o conjunto/matriz.
Finalmente, determinaremos Pmax através do produto de Vout por Imax.

Cada módulo fornece em teoria 53 x 0.5 V = 26.5 V.
A combinação em paralelo de 20 módulos para formar um painel também produz um valor teórico de tensão de 26.5 V.
Se agora ligarmos dois desses painéis em série para formar a matriz, obtemos:
Vout-teo = 2 x 26.5 V = 53 V
Reduzindo este valor em 10%:
Vout = 0.9 x 53 V = 47.7 V

Cada célula fornece um máximo de 2 A. Então, cada conjunto ligado em série, formando um módulo, também fornece um máximo de 2 A.
Quando 20 módulos são ligados em paralelo para formar um painel, a máxima corrente disponível passa a ser 20 x 2 A = 40 A.
Quando dois destes painéis são ligados em série para formar a matriz final, a corrente máxima disponível continua em 40 A. Então, para o conjunto total:
Imax = 40 A
E
Pmax = Vout x Imax = 47.7 V x 40 A = 1908 W

Sistema Fotovoltaicos em Larga Escala
Um sistema FV em larga escala é um sistema que tem como objectivo fornecer energia eléctrica a vários utilizadores, e é frequentemente apelidado de quinta solar.
O coração deste tipo de plantação de potência é um conjunto massivo de células FV.

Como Funcionam

Tipicamente possuem milhares (em certos casos centenas de milhar) de células FV individuais ligadas numa rede complexa de módulos, painéis e arrays. Nos casos mais sofisticados os arrays são montados com motores equatoriais o que lhes permite que estejam virados directamente para o sol durante todo o dia. Esses motores são comandados automaticamente por um sistema computorizado o que faz com que os arrays estejam todos optimamente alinhados com a luz solar também durante todos os dias do ano.
Os arrays de células FV estão ligados à rede eléctrica nacional através de inversores de potência e transformadores.
A figura seguinte mostra a sua configuração básica:

Vantagens dos Sistemas Fotovoltaicos de Larga Escala

– O Sol é um recurso renovável e o fornecimento é praticamente ilimitado;
– As quintas solares não geram gases tóxicos ou partículas;
– Em operação não fazem ruído;
– As quintas solares, tal como as quintas eólicas, podem ser dispersas por grandes áreas de terreno, uma característica que pode ajudar na evolução para uma rede de fornecimento de energia eléctrica tolerante a falhas;
– A energia solar pode ser usada como suplemento de outros modos de geração de energia eléctrica, o que aumenta a diversidade de fontes de toda uma nação;
– Uma quinta solar típica tem um “low-profile”. Não há grandes torres nem grandes edifícios, ela é tão não obstrutiva como um pomar;
– As quintas solares são uma parte importante da questão actual de reduzir ou eliminar a dependência das fontes não renováveis para gerar electricidade.

Limitações dos Sistemas de CF de Larga Escala

– Ficam economicamente muito caros em locais em que existe relativamente pouco sol;
– A energia solar, tal como a eólica, é intermitente e não pode ser armazenada em larga escala;
– A energia solar não consegue, por si própria, satisfazer as necessidades totais de uma cidade, estado, ou nação. Funciona melhor como fonte de energia suplementar;
A menos que sejam tomadas precauções a nível de designa electrónico e a localização seja escolhida adequadamente, pode ocorrer desequilíbrio de carga se uma parte do array de painéis solares estiver ao sol enquanto outra parte estiver à sombra. Isto reduz muito mais a quantidade de energia produzida do que o simples cálculo proporcional através da percentagem do array que está à sombra;
– De modo a que obtenhamos uma perfomance óptima, os painéis têm de ser montados em rolamentos móveis, o que pode sair caro;
– As quintas solares requerem uma quantidade apreciável de terreno que não pode então ser usado para mais nada;
– Tempestades e ventos fortes podem danificar ou destruir os módulos solares, painéis e arrays.

Sistemas de CF em Pequena Escala

Este termo aplica-se a sistemas que podem produzir energia eléctrica suficiente para alimentar uma residência. Como os sistemas de larga escala, estes sistemas produzem energia de forma intermitente (conforme haja sol ou não) pelo que devem trabalhar em conjunto com baterias recarregáveis de armazenamento de energia ou interligarem-se com a rede eléctrica nacional (ou ambas as coisas).

Sistema Autónomo

Um sistema autónomo de CF em pequena escala utiliza baterias recarregáveis para armazenar a energia fornecida por um painel solar ou por um array.
A bateria, por sua vez, fornece potência a um inversor que vai produzir os 230 V AC, que vai alimentar os nossos electrodomésticos.
A figura seguinte mostra um diagrama de blocos funcional de um sistema deste tipo:

A utilização de baterias permite que o sistema forneça energia eléctrica mesmo quando não há sol suficiente para as células FV trabalharem.
Um sistema deste tipo oferece independência das companhias de electricidade.

Sistema Interactivo com Baterias

Um sistema interactivo de pequena escala de CF com baterias é similar ao sistema autónomo que vimos antes mas com um importante acrescento. Se houver um período largo em que não haja sol para o sistema funcionar, a companhia de electricidade pode carregar as baterias e impedir assim que fiquemos sem energia.
Existe então um interruptor que, em conjunto com um detector de nível de carga da bateria, liga a bateria à companhia de electricidade se a sua carga atingir um nível mínimo. Quando as condições solares voltarem a ser favoráveis, o interruptor volta a ligar a bateria ao array de painéis solares e desliga-a da companhia.
Tudo isto é feito de forma automática através de um circuito electrónico projectado para o efeito.

Sistema Interactivo sem Baterias

Um sistema interactivo de pequena escala de CF sem baterias também funciona em conjugação com a companhia de electricidade.
A energia é vendida à companhia durante os períodos em que precisamos de menos energia para a nossa casa do que aquela que o sistema está a produzir e é comprada quando as nossas necessidades de energia são maiores do que as que o sistema está a produzir.
A vantagem deste sistema é que podemos continuar a consumir mesmo durante os períodos de mau tempo.
Outra vantagem é que, por não serem usadas baterias, este sistema pode ser maior.

Vantagens dos Sistemas de CF de Pequena Escala

– O Sol é uma fonte de energia renovável e praticamente ilimitada;
– Os sistemas fotovoltaicos não produzem poluição;
– Os sistemas fotovoltaicos não produzem ruído;
– Os sistemas fotovoltaicos podem suplementar outras fontes de energia, por exemplo energia eólica e micro hidroeléctricas;
– Os sistemas fotovoltaicos são muito discretos;
– Os sistemas fotovoltaicos são importantes para resolver a questão de eliminar a dependência de combustíveis não renováveis e poluentes para gerar electricidade;
– Um sistema interactivo sem baterias é muito simples de implementar;
– Estes sistemas quase não requerem manutenção.

Limitações dos Sistemas de CF de Pequena Escala

– Os sistemas fotovoltaicos apenas fornecem energia quando há iluminação solar suficiente e, por isso, raramente justificam o seu custo em locais em que existe pouco sol ao longo do ano;
– Se os painéis ficarem cobertos por neve ou granizo esses materiais têm de ser removidos manualmente de forma a que o sistema possa voltar a funcionar;
– Podem ocorrer problemas de desequilíbrio de carga se parte do array solar ficar ao sol e outra parte à sombra;
– Uma tempestade ou ventos fortes podem destruir ou danificar o sistema;
– Deve ter-se cuidado em não ligar muitas cargas ao sistema, de forma a não pedir mais corrente eléctrica do que ele pode fornecer;
– Um sistema que cubra todas as necessidades de uma residência em termos de energia eléctrica, envolve um custo inicial elevado que demorará muito tempo a ser recuperado;
– Nos sistemas que usam baterias, estas podem produzir fumos perigosos se não se fizer a adequada manutenção.

Problema

De forma a permitir que um sistema autónomo de CF residencial continue a trabalhar por longos períodos mesmo que não exista sol nesse período, não poderemos usar um banco de baterias maior?

Solução

Para que tal sistema funcione temos que garantir que o banco de baterias fique totalmente carregado após um ou dois dias de sol intenso.
A única maneira de assegurar isso é ter um array de painéis imenso, o que se traduzirá num custo/investimento inicial muito elevado.
Por outro lado, ventilar e manter o banco de baterias também pode ser problemático.
Mas se tiver recursos económicos ilimitados, vá em frente!

Questionário

1. Suponha que uma CF de silício gera 0.50 V a 2.0 A com o Sol a incidir-lhe directamente.
Quantos Watts.Hora (Wh) consegue esta célula produzir se exposta à radiação solar por um período de 6h.
a. 0.1 Wh
b. 1.0 Wh
c. 6.0 Wh
d. 36 Wh

2. Se um array solar estiver exposto a um sol brilhante e de repente uma peça opaca de lona cair em cima dele cobrindo alguns dos painéis,
a. A tensão eléctrica de saída aumentará
b. Um desequilíbrio de carga pode ocorrer se o array não for desenhado/projectado adequadamente
c. A corrente máxima disponível de todas as células aumentará
d. A corrente de saída de todo o array manter-se-á

3. Suponha 34 CF de silício ligadas em série e que cada célula pode fornecer 1.7 A com radiação solar directamente incidente.
Aproximadamente quanta corrente pode o módulo fornecer com radiação solar directamente incidente, desprezando os efeitos da resistência interna?
a. 0.05 A
b. 1.7 A
c. 20 A
d. 58 A
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