Manual Energia Fotovoltaico

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Energia Fotovoltaico, Energia solar

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Manual Energia Fotovoltaico

  1. 1. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 1 - 112
  2. 2. MANUAL DE ENERGIA SOLAR FOTO-VOLTAICA ÍNDICE CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO Conceitos de electricidade, electrónica e energias renováveis e recursos solares..................................................................................................................... PAG 3 CAPÍTULO 2 - MÓDULOS OU PAINÉIS SOLARES FOTO-VOLTAICOS............ PAG 19 CAPÍTULO 3 - COMPONENTES DE UMA INSTALAÇÃO FOTO-VOLTAICA ligada à rede ou isolada............................................................... PAG 34 CAPÍTULO 4 - CONEXÃO CABOS E ACESSÓRIOS........................................... PAG 39 CAPÍTULO 5 - RESPOSTA ÀS PERGUNTAS FREQUENTES FAQ.................... PAG 44 CAPITULO 6 - INSTRUÇÕES DE MONTAGEM..................................................... PAG 47 CAPITULO 7 - INSTRUÇÕES DE SEGURANÇA PARA INSTALAÇÃO de painéis Fotovoltaicos........................................................................................ PAG 65 CAPÍTULO 8 - PLANEAMENTO DE UMA INSTALAÇÃO comercial e técnico................................................................................................. PAG 69 CAPÍTULO 9 - PROBLEMAS FREQUENTES........................................................ PAG 83 CAPÍTULO 10 - ESTUDO ECONÓMICO micro-geração fotovoltaica e eólica combinadas.................................................. PAG 85 CAPÍTULO 11 - MICRO-GERAÇÃO ….........................................…......................... PAG 87 CAPÍTULO 12 - LEGISLAÇÃO NACIONAL E COMUNITÁRIA …......................... PAG 92 CAPÍTULO 13 - ANEXOS....................................................... …............................. PAG 93 (As três páginas seguintes são homenagem ao grande cientista e escritor Isaac Azimov por toda sua obra ) Formador: António Subida Referencias Bibliográficas Cartilha de Energia Solar - Kyocera Manual do curso publicado por Panorama Energético (http://www.panoramaenergetico.com). E-TexT Books de Retscreen, do Canadá ( http://www.retscreen.net ), e software para elaborar projectos de fo- tovoltaico. Se quiser este software pode efectuar o descarga. É gratuito. Guias da Energia Solar do Concurso Solar Padre Himalaya . Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 2 - 112
  3. 3. CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO O SOL GLORIOSO Isaac Asimov ( excerto do livro “O Início e o Fim” - Edições Melhoramentos) Vivemos da energia do Sol Glorioso, e tudo que vive o faz. As plantas verdes fazem uso da energia da luz so- lar para converter o dióxido de carbono, a água e minerais em hidratos de carbono, gordura e proteínas. Os animais vivem dos compostos de alta energia das plantas, ou de outros animais que comeram plantas. Toda a vida animal, inclusive a nossa, se alimenta, finalmente, das plantas verdes que fizeram uso da energia da luz solar para criar a provisão de alimentos. A tecnologia do homem está também, baseada, na energia solar. O calor solar aquece desigualmente o ar e o mar, criando ventos e correntes oceânicas. O calor solar evapora o oceano, elevando quilómetros cúbicos de água ao espaço, na forma de vapor. Lá, a água, a seu tempo, condensa-se, e cai em forma de chuva; parte dela cai em continentes, onde se acumula em lagos a lagoas, alguma corre de volta aos oceanos na forma de rios e riachos. E os ventos e a água corrente têm estado a mover navios e a girar rodas desde os tempos an- tigos. A grande fonte de energia, feita pelo homem - o fogo - depende da queima de combustível no ar. Onde o combustível é lenha, o fogo representa a queima de compostos formados por plantas através do uso da ener- gia da luz solar; onde a gordura animal, são os compostos formados por animais a expensas das plantas; onde se trata de carvão ou de petróleo, o combustível é material que se formou por meio de plantas ou de animais há centenas de milhões de anos, partindo da energia dessa antiga luz solar. Alguma energia usada pelo homem não é de origem solar; o calor interno da Terra manifesta-se em fontes quentes; a rotação da Terra produz o movimento das marés; e os núcleos atómicos podem sofrer fissão, ou fusão, para produzir energia. Estas fontes não-solares de energia têm contribuído, por enquanto, muito pouco para as necessidades totais de energia da humanidade. A principal fonte, neste momento (e durante dois sé- culos passados), é o carvão, apenas superado pelo petróleo - ambos obtidos do interior da crosta terrestre. Entretanto, o carvão é difícil de ser conseguido e transportado; ademais, sua escavação prejudica o meio am- biente. O petróleo é de abastecimento limitado, e o dia do seu desaparecimento não se encontra a muitos de- cénios no futuro. Tanto o carvão como o petróleo, ao serem queimados, poluem gravemente. Ainda que o carvão e o petróleo pudessem ser purificados e queimados com completa eficiência, de modo a não produzi- rem poluição comum, eles, ainda assim, dariam desperdício de calor que aqueceria lentamente a Terra, alte- rando-se o clima. Também produziriam dióxido de carbono, que não deixaria o calor escapar para o espaço, a isto aceleraria a tendência para o aquecimento. Se nos voltarmos para a fissão nuclear, haverá o grande peri- go da poluição pela radiação. Se nos voltarmos para a fusão nuclear, com a qual o perigo da poluição é muito menor, teremos de enfrentar o facto de que os problemas de engenharia envolvidos na fusão se encontram por enquanto solução, e talvez requeiram decénios para serem resolvidos. Podemos voltar-nos de novo para o Sol. A despeito de toda a energia solar que entra na produção do vento, das correntes aquáticas e das plantas verdes, mais de 90 % da energia que recebemos do sol destina-se sim- plesmente a aquecer a Terra. Este aquecimento é útil, naturalmente, pois mantém a temperatura da Terra su- ficientemente quente para tornar possível a vida. Contudo, se esse desperdício de calor da luz solar fosse uti- lizado para os propósitos do homem, ele acabaria sendo utilizado como calor (que é indestrutível), e a Terra continuaria tão quente como antes. A cada dia, a quantidade de luz solar que incide sobre a Terra, sem ser usada de alguma forma, a não ser para aquecer o nosso planeta, representa tanta energia quanto a humani- dade utiliza em cerca de 3 anos. E mais: a energia solar a completamente não-poluente. Ela nem sequer in- troduz poluição pelo calor, porquanto o calor existe, nela, na mesma quantidade, façamos ou não façamos uso da energia. Que é que nos impede, então, de fazer uso da energia solar?. Três coisas: 1. energia solar é muito diluída. É muito abundante, mas espalha-se subtilmente por uma grande área. Colectá-la e concentrá-la até o ponto em que se torne útil para a tecnologia humana é coisa altamen- te complexa. 2. A energia solar directa varia em quantidade com a hora do dia . É baixa pela manhã e à tarde, e não existe à noite. As nuvens, a névoa e a neblina reduzem-lhe a quantidade, mesmo quando está no ponto máximo. Em muitos lugares, onde a indústria do homem é mais concentrada, a quantidade dis- ponível do Sol é particularmente variável. 3. O homem tem sido extremamente preguiçoso quanto a solucionar os problemas de engenharia envol- vidos no uso directo da energia solar, porque estiveram à sua disposição as técnicas mais simples de queima do carvão e do petróleo; e tem tido, igualmente, falha de imaginação, de modo que não tem visto as necessidades e as possibilidades com suficiente antecipação para fazer funcionar um dispo- sitivo condicionador de ar que refrigerará a casa no tempo de calor. O Sol pode não inspirar confiança Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 3 - 112
  4. 4. bastante para manter essa "casa solar" em funcionamento durante fases de céu encoberto, ou quan- do o tempo está extremamente quente, ou frio; mas poder-se-iam usar fontes de energia mais con- vencionais, a título de apoio, em quantidades pequenas com o correr do tempo. Então porque não se faz isto? Em primeiro lugar, faz-se. Casas equipadas para uso de energia solar são construídas aqui a acolá, particu- larmente no Japão; mas, no conjunto, apenas ocasional e experimentalmente. O custo inicial é elevado, e a indústria da construção reluta em investir dinheiro enquanto o público, não compreendendo claramente a pou- pança com o correr do tempo, ou não dispondo do indispensável capital, não se mostra disposto a comprar. Outros empregos de pequena escala envolvem alambiques em que a luz solar é usada para evaporar a água do mar, de modo que água doce se condense e se acumule; envolvem também fornalhas solares, nas quais a luz solar é reflectida por um conjunto de espelhos e focalizada num determinado ponto no qual a temperatura, então, se aproxima da temperatura da superfície do Sol. A energia da luz solar também pode ser usada para produzir electricidade - forma bem mais flexível a delica- damente útil de energia do que o calor. Algumas composições de metais, de quantidades cuidadosamente ajustadas, podem dar origem a uma pequena corrente eléctrica durante o tempo em que estiverem expostas a luz do Sol. Estas "células solares" tem sido usadas com grande êxito para fornecer energia a satélites artifi- ciais. Imaginem-se séries de células solares alinhadas sobre telhados, ou sobre outras superfícies expostas à luz do Sol. A electricidade poderia ser produzida em quantidades contínuas, podendo fazer funcionar utensíli- os. Poderia ser armazenada em baterias, e usada para iluminar edifícios à noite. É certo que as células sola - res são caras e são também frágeis. No momento presente, a electricidade solar seria cerca de quinhentas vezes mais cara do que a electricidade produzida por meios mais convencionais. Observe-se, porém, que as células solares têm sido produzidas em pequenas quantidades, para fins especializados. Se se fizerem esfor- ços para produzir células mais robustas, no estilo de produção em massa, o seu preço poderá descer drasti- camente. Poderíamos então imaginar gigantescas fábricas de energia baseadas numa vasta série de células solares, cobrindo amplas áreas dos sectores da Terra em que a luz do Sol é quase continua. Acontece que estes sec- tores são áreas desérticas, onde há pouca vida e onde a luz solar aquece inutilmente apenas areia nua e ro- cha. Cerca de 12,4 milhões de quilómetros quadrados da superfície da Terra apresentam-se na forma de de- serto tostado pelo Sol. Só o deserto do Saara é tão grande como os Estados Unidos. As células solares, fun- cionando a apenas 10 % de eficiência, requereriam 48.000 km2 de luz solar (apenas 1/250 da área desértica do mundo) para suprir as actuais necessidades de energia do mundo. Nos Estados Unidos, existem amplos sectores do sudoeste que poderiam ser usados como fontes de energia solar. Naturalmente, isto exigiria grande investimento inicial. Pode ser que os xeques do petróleo abram o caminho. No presente, eles estão reunindo a riqueza do mundo em suas mãos, a troco do petróleo que possuem, e encontram-se um tanto con- fusos sobre o que fazer com essa riqueza. Certamente, as nações produtoras de petróleo do Médio Oriente têm consciência de que seus recursos estão minguando, e de que, por coincidência, suas terras contêm ge- nerosos sectores dos desertos do mundo tostados do Sol. Se tiverem visão razoavelmente ampla, financiarão as pesquisas e a engenharia que transformarão seus países em centros de energia solar. Por essa forma, eles conservariam seu poder económico, a ainda ajudariam o resto do mundo, que poderia utilizar a experiên- cia do Médio Oriente para construir fabricas eléctricas em áreas desérticas de outras partes do globo. As fá- bricas eléctricas baseadas em desertos da Terra talvez não sejam a última instância. A atmosfera terrestre re- flecte mais de metade da energia da luz solar, remetendo-a de volta ao espaço antes que ela atinja a superfí- cie do nosso planeta, e ainda absorve parte da que resta. Ademais, os desertos têm suas tempestades de areia, e poderiam sofrer terramotos devastadores. O simples facto de que as fábricas eléctricas ficariam a su- perfície da Terra significaria que elas interfeririam nas formas de vida, inclusive a humana, e vice-versa. Há sugestões, pois, no sentido de que os dispositivos colectores de energia sejam, algum dia, levados para fora da Terra e reunidos em vários satélites artificiais, orbitantes, distribuidores de energia solar. Tais satélites poderiam absorver luz solar, à noite, sem interferência e sem perca motivada pela atmosfera terrestre. A energia que eles absorvessem poderia ser projectada para a Terra na forma de micro-ondas (como as que são usadas no radar), e, na Terra, essas micro-ondas poderiam ser captadas por antenas gigantescas. Há trinta anos, escrevi uma história descrevendo essas fábricas de energia circulando ao redor do Sol, nas proximidades da órbita de Mercúrio, onde a energia solar é cerca de dez vezes mais concentrada do que nas proximidades da Terra. (Os "satélites fábricas de energia" eram accionados por meio de robôs, na minha his- tória.) O conceito era, então, pura ficção científica, e ainda o é hoje, mas no terço de século intermédio, ele chegou bastante perto da praticabilidade. Quando escrevi pela primeira vez aquela história, nenhum dos es- critores de ficção cientifica sequer sonhava com satélites e fábricas espaciais, e os cientistas estavam apenas começando a aprender o modo de lidar com as micro-ondas. Dentro de outro terço de século, quem sabe... O que precisamos é da habilidade dos cientistas e engenheiros para superar os problemas práticos existen- tes; da resolução dos líderes políticos para apoiá-los; da capacidade do povo, em geral, para compreender as potencialidades do uso directo da energia solar, bem como da sua boa vontade em ver o dinheiro dos seus Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 4 - 112
  5. 5. impostos usado para tal fim; e, acima de tudo, da continuidade da estabilidade da ordem social mundial, da ordem económica e do sistema tecnológico. Precisamos de visão e de alguma boa sorte, também…. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 5 - 112
  6. 6. O RECURSO SOLAR O Sol fornece anualmente para a atmosfera terrestre 1,5X10 18 KWh de energia radiante. Trata-se de um va- lor correspondente a 10.000 vezes o consumo mundial no mesmo período. Além de ser responsável pela ma- nutenção da vida a radiação solar constitui uma fonte inesgotável de energia podendo ser utilizada por inter- médio de sistemas de captação e conversão em energia eléctrica. Mesmo com os rendimentos relativamente baixos dos sistemas fotovoltaicos comerciais (8 a 20%). Se este recurso tivesse um uso generalizado ou seja se estivesse aproveitado em 0,1% da superfície da terra, ainda seria suficiente para suprir as necessidades energéticas da humanidade actual . APLICAÇÕES DA ENERGIA SOLAR Já existem muitos projectos “Solares” quer governamentais, quer particulares nas áreas de: Telecomunica- ções, Electrificação Rural, Sinalização de Estradas e Bombeamento de Água e actualmente Micro-geração, que utilizam a Energia Solar com bastante sucesso. O principal obstáculo à implementação de centrais deste tipo prende-se com o investimento inicial elevado. No entanto, já é comercialmente viável para pequenas instalações. Os postos de saúde remotos beneficiam com a Energia Solar no que toca a abastecer refrigeradores para a conservação de vacinas, prover ilumina- ção e comunicação. Em regiões isoladas de países desenvolvidos, já são comercializáveis kits (incluem um ou dois módulos Foto- voltaicos, 3 ou 4 lâmpadas, uma bateria e um simples carregador de baterias) para alimentação de habita- ções temporárias, por exemplo uma casa de montanha. O seu uso é particularmente vantajoso em regiões re- motas ou em zonas de difícil acesso. Espera-se contudo que o aumento da produção dos painéis solares, faça descer bastante o investimento desse custo inicial, e que assim o possamos aproveitar o máximo de energia solar possível. As principais aplicações dos sistemas fotovoltaicos são: - Electrificação remota – actualmente uma das principais aplicações da energia fotovoltaica é a possibilida- de de fornecer energia eléctrica a lugares remotos, onde o custo da montagem de linhas eléctricas é superior ao sistema fotovoltaico, ou existe a impossibilidade deste tipo de fornecimento; - Sistemas autónomos – bombagem de água para irrigação, sinalização, alimentação de sistemas de teleco- municações, frigoríficos médicos em locais remotos, etc; - Aplicação de micro-potência – relógios, maquinas de calcular, etc; - Integração em edifícios – a integração de módulos fotovoltaicos na envolvente dos edifícios (paredes e te- lhados) é uma aplicação recente, podendo representar reduções de custos construtivos e energéticos. A energia produzida em excesso pode ser vendida à companhia eléctrica, e quando existem insuficiências, esta pode ser comprada; - Veículos – outra aplicação, ainda em fase de investigação, é a de automóveis de recreio providos de célu- las foto-voltaicas, com suficiente potência para movimentá-los, assim como também embarcações de recreio. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 6 - 112
  7. 7. É vital nos veículos espaciais quer pela disponibilidade energética fornecida pelo Sol quer pelos inconvenien- tes que evita ao não ser necessário transportar combustível para estes veículos. Exemplos de aplicações de energia fotovoltaica Exemplo de uma instalação residencial de micro-geração ligada à rede Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 7 - 112
  8. 8. ENERGIA SOLAR FOTO-VOLTAICA - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO A matéria prima mais importante para a produção de energia solar fotovoltaica é o Silício (Si). O silício apresenta-se na natureza sob a forma de dióxido de silício SiO2 o constituinte principal do quartzo mi- neral muito abundante na areia e no granito. Materiais onde existe silício: a) feldspato; b) granito; c) areia; d) argila; e) quartzo. Através de métodos adequados obtém-se o silício em forma pura. Na forma cristalina é muito duro e pouco so- lúvel, apresentando um brilho metálico e uma coloração cinzenta. É um elemento relativamente inerte e resis- tente à acção da maioria dos ácidos. O silício transmite mais de 95% dos comprimentos de onda das radiações infravermelhas. O silício necessário ao fabrico das células foto-voltaicas pode ser obtido a partir da quartzite através de um processo dispendioso, sujo e difícil de realizar o que contribui para tornar o preço do silício bastante mais ele- vado. Ainda por cima, o cristal de silício puro possui poucos electrões livres e portanto é um mau condutor eléctrico. Assim, e depois de fabricar os cristais é necessário em seguida fazer a deposição de impurezas para criar as 2 zonas, p e n, acrescentando-se pequenas percentagens de outros elementos. Este processo denomina-se de dopagem. Mediante a dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com electrões livres ou material com por- tadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invés de fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, défice de electrões ou material com cargas positivas livres - as lacunas (silício tipo P). Se juntarmos duas camadas de silício dopado N e P elas forma um JUNÇÃO semicondutora. Separadamente, ambas as capas são electricamente neutras. Mas ao serem unidas, na união P-N, cria-se um campo eléctrico devido aos electrões do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Seguidamente, o silício é tratado com um revestimento anti-reflector, que evita perdas de radiação por esse fenómeno. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 8 - 112
  9. 9. Cada célula solar é feita de uma grande superfície de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P . 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. A incidência da luz solar numa junção NP de silício transfere a ener- gia dos fotões para os electrões fazendo com que estes saltem da banda de valência para a banda de condução e formando assim pa- res electrão-lacuna susceptíveis de se moverem na junção. Devido ao campo eléctrico gerado na Junção P-N, os electrões são orientados a fluir da camada "P" para a camada "N". Vista em corte de uma célula fotovoltaica Por meio de um condutor externo, conecta-se camada negativa à positiva. Assim o efeito fotovoltaico produz um fluxo de electrões nos condutores externos. Os electrões são excitados pelas partículas de luz e encon- tram no circuito eléctrico externo à célula, o caminho mais fácil para viajar de um lado da célula solar para o outro. 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. A célula solar apenas consegue orientar uma pequena percentagem desses electrões de forma a fazê-los fluir pelo circuito externo. Este fluxo de electrões é, por definição, corrente eléctrica e a sua energia é vulgarmente chamada de electricida- de. NOVOS MATERIAIS PARA FABRICO DE CÉLULAS foto-voltaicas Na área dos novos materiais, os desenvolvimentos são permanentes. O silício começa cada vez mais a ser substituído. Uma das razões desta substituição é o custo da sua transformação, tarefa suja e tecnologicamen- te complexa. Além disso, a sua textura degrada-se com a idade. Há também quem continue a investir no silício, embora utilizando técnicas de transformação mais baratas. Entre estas téc- nicas encontram-se as do silício mono-cristalino, menos refinado e logo mais barato, além disso as faixas de silício mono- cristalino podem ser implementadas directamente nas bolachas sem perdas excessivas de material. Mas o futuro passa pela descoberta de novos materiais, mais baratos e eficientes. Prova disso é o facto de todos os grandes fabricantes de cé- lulas foto-voltaicas terem já abandonado o silício e entrado no negócio dos novos materiais. Materiais que podem ser usados para fabricação de células foto-voltaicas: - INORGÂNICOS Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 9 - 112
  10. 10. TELURETO DE CADMIUM (ou CÁDMIO) (CdTe) A fim de competir com o Silício Cristalino e o Silício Amorfo, em nível de produzir potência, surgiu no mercado fotovoltaico o Telureto de Cádmio. Este material é usado há quase uma década nas aplicações em calculado- ras mas, somente agora é que começam a ser comercializados módulos solares de grandes áreas (com uma área de aproximadamente 0.67 m2). Estes módulos, normalmente sob a forma de placas de vidro num tom castanho/azul-escuro, também apresentam um atractivo estético em comparação ao silício cristalino e as em- presas envolvidas com esta tecnologia têm procurado as aplicações arquitectónicas como uma mais valia no mercado. Estas empresas, enquanto desenvolvem os seus produtos, ampliam os seus volumes de produção e reduzem os custos. Assim, como no caso do silício amorfo, os custos de produção do Telureto de Cádmio são atractivamente baixos na produção em grande escala e esta tecnologia tem óptimas hipóteses de desper- tar como um sério competidor no mercado fotovoltaico para gerar potência eléctrica. A baixa abundância dos elementos envolvidos e a sua toxicidade são aspectos que têm de ser levados em conta, principalmente se esta tecnologia atingir quantidades significativas de produção. Com o recorde de eficiência de células individuais de pequenas áreas em laboratório (cerca de 16%), os mó- dulos solares encontrados no mercado internacional apresentam eficiência entre 7 e 9%. DISSELENETO DE COBRE E INDIUM (ou ÍNDIO) (CIS) As células de Disseleneto de Cobre e Índio de pequenas áreas produzidas em laboratório apresentam no mo- mento uma eficiência próxima dos 18%. Módulos de grandes dimensões atingem 11% de eficiência. Os módulos solares de Disseleneto de Cobre e Índio apresentam, como o Silício Amorfo e o Telureto de Cád- mio, uma óptima aparência estética e devem surgir no mercado com grandes superfícies, encontrando aplica- ções arquitectónicas diversas. Assim, como no caso do Telureto de Cádmio, a pouca abundância dos elementos envolvidos e a sua toxicida- de são aspectos que têm de ser considerados se esta tecnologia atingir quantidades significativas de produ- ção. ORGÂNICOS Uma abordagem radicalmente nova são as células solares de materiais electrónicos orgânicos, como por ex- emplo polímeros semicondutores também por vezes denominados por “soft cells”. Engenheiros electricistas da Universidade Princeton (Estados Unidos) criaram uma nova técnica de fabricação de células solares orgâ- nicas que poderão se transformar num meio mais económico de aproveitamento da luz solar. Essas células são geralmente constituídas por um polímero condutor e um material receptor de electrões, como o fulereno (C60). A eficiência desses dispositivos ainda é limitada, principalmente devido à baixa absorção de luz pela camada activa e a baixa mobilidade dos transportadores de cargas. Parte desse problema pode ser minimiza- do através da inserção de um terceiro componente na célula, como corantes orgânicos que apresentem ele- vada absorção de luz na faixa espectral acima de 400 nm. (Pode fazer-se em construção caseira células or- gânicas) CÉLULAS SOLARES PLÁSTICAS Pesquisadores da Universidade de Berkeley (Estados Unidos), descobriram uma forma de construir células solares plásticas a baixo custo. Elas são tão flexíveis que podem ser “pintadas” em qualquer superfície, po- dendo ser utilizadas para fornecer energia para dispositivos electrónicos portáteis. A nova célula solar desen- volvida é de material híbrido, formado por nano bastões (blocos quimicamente puros, de cerca de 100 a 100.000 átomos, ou cerca de 1nm) dispersos num plástico ou polímero orgânico. Os nano bastões são feitos de Seleneto de Cádmio e chegam a medir até 60nm. Uma camada de apenas 200nm de espessura desse material é coberta por eléctrodos, podendo produzir 0,7 volts. Assim, ao contrário das células foto-voltaicas baseadas em Silício, as células plásticas podem ser produzidas sem a necessidade de salas limpas ou câma- ras de vácuo, permitindo desta forma um custo de produção reduzido quando comparado com os processos que envolvem as células de Silício descritas neste trabalho. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 10 - 112
  11. 11. Fotografia de uma célula solar plástica Esquema das Células da BP DESENVOLVIMENTOS DAS TECNOLOGIAS A BP, líder mundial no fabrico de células foto-voltaicas, optou pelo Telureto de Cádmio, que, embora não seja o material mais promissor, é bastante mais fácil de utilizar e tem menos problemas associados. O processo começa com vidro coberto por uma fina película de óxido, em seguida é decomposta por electróli- se a primeira camada de Sulfito de Cádmio, seguida pela segunda camada, de Telureto de Cádmio. A cama- da fina de metal é obtida por deposição de vapores metálicos, feita em fornos de vácuo. Por fim as camadas são cortadas a laser para criar células individuais ligadas em série pelo material condutor. Ligando uma série de células produz-se uma grande voltagem com uma baixa corrente. Uma única célula grande produziria uma grande corrente, mas, com uma tensão muito baixa. A Siemens-Energia optou pelo material mais difícil de transformar, o Disseleneto de Índio e Cobre, desenvol- vido pela Boeing para aplicações espaciais (satélites). Embora seja mais raro, a quantidade de material ne- cessário para uma célula é muito menor, espessuras da ordem dos 0.002mm o que corresponde a 50g de material por metro quadrado de painel contra quase um Kg de Silício necessário para mesma área. Outra das tecnologias em desenvolvimento é a dos revestimentos anti-reflectores. Uma superfície texturada torna o revestimento anti-reflector bastante mais eficaz. Apenas com a aplicação deste revestimento, é possí- vel obter células com rendimentos da ordem dos 12 a 13%. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 11 - 112
  12. 12. Método e Materiais usados no revestimento texturado Outra tecnologia em desenvolvimento acelerado é a célula sem contactos frontais (grelha). Na sua substitui- ção existem zonas do tipo p+ e n+ que actuam como colectores de portadores de carga. A aplicação conjunta desta técnica e do revestimento especial anti-reflexo permitiram à SunPower Corporation o fabrico de células de rendimentos espantosos (20 a 23 %). Estas células foram utilizadas pela Honda no World Solar Challenge, competição de veículos movidos a energia solar. Veículos movidos a energia solar utilizados pela Honda [. A massa dos painéis solares pode ser reduzida utilizando células foto-voltaicas solares de filme fino, feitas de substratos flexíveis. A eficiência pode ser aumentada utilizando novos materiais e concentradores solares que intensificam a luz incidente, aspectos importantes os quais vamos apresentar em seguida, assim como novas tecnologias em produção das células foto-voltaicas. CÉLULAS DE BARREIRA DE SHOTTKY São células cuja junção é induzida quando um contacto de metal é aplicado à superfície do silício dopado. Como resultado das propriedades electrónicas dos dois materiais, os portadores são distribuídos de cada um dos lados da junção de tal maneira que é induzido um campo de base dentro da superfície do silício. Este campo é idêntico ao da junção P-N. A vantagem desta célula é o facto de não necessitar de uma camada colectora dopada à superfície, embora necessite da grelha metálica no topo, já que o metal deposto tem uma resistência demasiado elevada para colectar a corrente das células. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 12 - 112
  13. 13. CÉLULAS DE JUNÇÃO SULCADA Esta célula é muito eficaz, com eficiências medidas de mais de 20%. A sua principal vantagem é a baixa re- sistência perto dos contactos quer frontais quer posteriores. Os portadores de carga estão também separados e são colectados com grande eficiência por causa das numerosas e pouco distantes junções. O efeito de sombra é grande. Esta célula tem como interesse elevado a técnica dos concentradores solares. Esta técnica pretende concentrar a luz solar em células de alto desempenho, utilizando para isso lentes ou similares. Se conseguirmos concentrar a luz 100 vezes, necessitamos apenas de 1 por cento das células para produzir a mesma quantidade de energia. O mesmo princípio é utilizado para gerar fogo com uma lupa em um dia enso- larado. Como o silício tem desempenhos baixos a altas temperaturas leva a que alguns destes sistemas ne- cessitem de refrigeração. Outro dos problemas é que, numa série de células foto-voltaicas, se uma estiver com um funcionamento deficiente e tiver a tensão baixa, a tensão do conjunto também será baixa. CÉLULAS DE CAMADA INVERSORA Esta célula tem uma eficiência actualmente de 17% e um alto potencial voltaico. Foi descoberto que uma ca- mada de monóxido de silício depositada em silício tipo p revestido de SiO2 (dióxido de silício) induz uma jun- ção perto do topo do silício tipo p. O vapor de monóxido de silício perde electrões à medida que solidifica, pelo que a camada fica com carga positiva. Esta camada positiva empurra os poucos electrões livres no silí- cio tipo p para a interface entre o Si e o SiO2, fazendo com que a região se comporte como se fosse silício tipo n. Uma vez que a camada por baixo do SiO2 se torna do tipo n e a maior parte do silício é tipo p, uma junção p-n é induzida no silício. Quando a célula é iluminada, a junção separa os electrões e as lacunas tal como uma junção p-n normal (os electrões gerados pela luz têm energia suficiente para atravessar o SiO2 e entrarem dentro dos contactos de metal). Outra variante desta célula é dopar levemente o topo do silício tipo p com dopante tipo n antes de apli- car o SiO2 e o SiO. Isto ajuda a mobilidade dos portadores (menos resistência na camada superior) enquanto aumenta a tensão na junção p-n. As vantagens destas células residem na relativa facilidade de manipular o SiO e o SiO2, a junção induzida num material relativamente pobre em lacunas (menos dopagem significa me- nos defeitos da rede), e potencial para altas tensões e elevadas eficiência. CÉLULA DE CONTACTO POSTERIOR INTER-DIGITADA Este dispositivo não possui contactos frontais e evita o efeito de sombra por completo. Na célula inter-digita- da, as muitas pequenas regiões do silício tipo p+ e n+ altamente dopadas actuam como colectores de porta - dores de carga – electrões movem-se para dentro do lado n+ e as lacunas para dentro do lado p+. Os cam - pos à volta das regiões dopadas são criados de uma forma idêntica a outras junções (p-n ou Schottky) atra- vés do re-arranjo dos portadores de carga. Os portadores de carga são gerados no todo da célula acima das junções. A maior parte do material é silício tipo p. A principal vantagem da célula é a eliminação do efeito de sombra. O desenho cuidadoso das regiões dopadas pode também diminuir a resistência, que é importante em 1 Se se cobrir uma célula solar ou parte de um módulo solar a corrente eléctrica é travada nesse sítio. O efeito é parecido quando há uma dobra numa mangueira. sistemas concentrados. Foi já obtido um alto rendimento (acima de uma eficiência de 17%), no entanto o custo de fabrico ainda não é competitivo. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 13 - 112
  14. 14. Vista em corte de um painel fotovoltaico onde se mostram os contactos metálicos frontais Factores que influenciam o rendimento Os principais factores que influenciam o rendimento da energia fotovoltaica são: Reflexão Uma grande parte da radiação que atinge o painel fotovoltaico é reflectida, isto deve-se à camada de vidro colocada na parte superior do painel e aos eléctrodos frontais. Desadaptação espectral Para radiações com comprimentos onda λ> 1100 nm não haverá lugar à produção de pares electrões-lacunas. Isto porque a energia de um fotão é inferior à energia necessária para que o electrão salte da valência para a de condução. Recombinação dos pares electrões-lacunas Após geração de um electrão livre, este pode não contribuir para corrente porque antes se recombina com uma lacuna, como se pode ver pela figura acima; Aumento de temperatura O aumento da temperatura da célula faz com que o rendimento do módulo diminuía, assim baixando os pontos de opera- ção para potência máxima gerada. Como é mostrado na figura abaixo. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 14 - 112
  15. 15. Corrente [A] Tensão [V] Efeito causado pela temperatura na célula. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 15 - 112 * Pontos de operação para a potência máxima gerada
  16. 16. A CÉLULA FOTO-VOLTAICA A geração directa de energia eléctrica a partir da energia radiante fornecida pelo sol faz-se através de um módulo electrónico formado por elementos geradores – as células foto-voltaicas. Os módulos ou painéis fotovoltaicos actuais são formados de células feitas de silício. Cada célula gera corrente contínua com cerca de 0,5 V de tensão. As células comerciais podem ser de três tipos de tecnologia: Células de silício mono-cristalino Correspondem à primeira geração desta tecnologia. Estas células obtêm-se a partir de barras cilíndricas de silício mono-cristalino produzidas em fornos es- peciais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas quadradas finas (0,4-0,5 mm de espessura).São caracterizadas por um rendimen- to energético de conversão elevado (23% em labora- tório e 16-18% disponível nos módulos comerciais). As técnicas de produção são complexas e caras e requerem grande quantidade de energia no seu pro- cesso de fabrico, devido à exigência de se usarem materiais em elevado estado de pureza. (superior a 99,999999 %). São as de preço mais elevado Células de silício poli-cristalino Correspondem à segunda geração desta tecnologia. 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. For- ma-se uma estrutura poli-cristalina com superfícies de separação entre os cristais. São caracterizadas por um rendimento energético de conversão médio (18% em laboratório e 11-13% disponível nos módu- los comerciais). As técnicas de produção ainda são complexas e caras mas requerem menos energia no seu processo de fabrico do que as mono-cristalinas. O seu preço é intermédio. Células de silício amorfo ( não cristalino ) Correspondem à terceira geração desta tecnologia. Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal. São caracterizadas por um rendi- mento energético de conversão baixo (13% em labo- ratório e 8-10% disponível nos módulos comerciais). As células de silício amorfo são películas muito fi- nas, permitindo a sua utilização em superfícies flexí- veis e superfícies de materiais cerâmicos aplicados na construção como as telhas e painéis de paredes. São as que têm menor preço. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 16 - 112
  17. 17. Rendimento eléctrico comparado das várias tecnologias do silício Rendimento Típico Máximo registado em aplicações Rendimento máximo registado em labora- tório Mono-cristalina 12-16% 22.7% 24.7% Poli-cristalina 12-14% 15.3% 19.8% Silício amorfo 5-8% 10.5% 12.7% Quadro Resumo Vantagens e Desvantagens da Tecnologia Fotovoltaica A tecnologia solar fotovoltaica apresenta um grande número de vantagens: Alta fiabilidade e durabilidade Não tem peças móveis, o que é muito útil em aplicações em locais isolados e tem uma vida útil superior a 15 anos (típico 20-25 anos) Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 17 - 112
  18. 18. A fácil portabilidade e adaptabilidade dos módulos Permite montagens simples e adaptáveis a várias necessidades energéticas. Os sistemas podem ser dimensionados para aplicações de alguns miliwatt ou de megawat; O custo de operação é reduzido A manutenção é quase inexistente ao longo do seu período de vida: não necessita combustível, transporte, nem trabalha- dores altamente qualificados; Qualidades ecológicas A tecnologia fotovoltaica apresenta um produto final que não é poluente, que é silencioso e que quando correctamente es- tudada a sua localização não perturba o ambiente. No entanto esta tecnologia apresenta também algumas desvantagens: Custo de investimento elevado O fabrico dos módulos fotovoltaicos necessita tecnologia muito sofisticada com linhas de montagem de capital intensivo que necessita de uma amortização e retorno muito rápidos rápidos pelo facto dos ciclos tecnológicos associados estarem presentemente em menos de 2 anos. Rendimento real de conversão reduzido O rendimento dum módulo é baixo (o limite teórico máximo numa célula de silício cristalino é de 28%), o que face ao custo do investimento e à duração actual dos ciclos tecnológico é um desincentivo para os investidores privados. Pouca competitividade com outras tecnologias de geração de energia Os geradores fotovoltaicos raramente são competitivos do ponto de vista económico, face a outros tipos de geradores. A excepção restringe-se a casos onde existam reduzidas necessidades de energia em locais isolados e / ou em situações de grande preocupação ambiental; Quando é necessário proceder ao armazenamento de energia sob a forma química (baterias), o custo do sistema fotovol- taico torna-se ainda mais elevado. Dependência das condições atmosféricas Ou seja, a corrente gerada nos módulos aumenta linearmente com o aumento da Intensidade luminosa, como se verifica no gráfico anteriormente referido. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 18 - 112
  19. 19. CAPÍTULO 2 – MÓDULOS OU PAINÉIS SOLARES FOTO-VOLTAICOS O painel solar, o primeiro componente de um sistema eléctrico de energia solar, é uma associação de células de silício que geram electricidade a partir da luz solar e a disponibilizam com características de tensão e corrente adequadas aos consumidores. Uma única célula solar produz apenas cerca de 0,5 Volt. Nos módulos ou painéis comerciais produzidos industrialmente, as células foto-voltaicas são conec- tadas em série e em paralelo de forma que na sua saída a energia eléctrica tenha as característica de tensão e corrente necessários para a sua aplicação, sendo os valores típicos na indústria dos painéis solares: 12V, 24V e 48 V por painel, com potências desde 10 a 320 W. Por exemplo, um painel típico 12 volts de cerca de 63cm por 137cm conterá 36 células ligadas em série para produzir cerca de 17 volts pico. Se o painel solar for configurado para 24 Volt de saída, haverá 72 células de modo a constituir dois grupos de 12 Volt com 36 células cada, conectados em série, geralmente com um “jumper”, proporcionando uma saída de 24 Volt. Quando em carga (por exemplo a carregar baterias,) esta tensão cai para 12 a 14 Volt (nos painéis de 12 Volt nominais), resultando a potência em 75 a 100 Watt para um painel desse tamanho. A produção dos módulos em WattxHora é calculada para 5 horas de insolação (luminosidade) por dia. Logo após sua instalação o módulo começa a gerar energia. É só conectar o módulo ao sistema de armaze- namento de energia: a sua bateria, ou ao ponto de consumo e pronto: ENERGIA GRATUITA! Nas aplicações mais comuns são associados diversos módulos conforme a necessidade de tensão e corrente dos pontos de utilização da energia eléctrica. No fabrico 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 (Etil-vinil-acelato) que faz também o papel de isolante eléctrico, um vidro temperado com baixo conteúdo de ferro, na face volta- da para o sol, e uma lamina plástica multi-camada (Poliéster) na face posterior. Em alguns casos o vidro é substituído por uma lamina de material plástico transparente. O módulo completo tem uma moldura metálica normalmente em de alumínio ou poliuretano e caixas de cone- xão ou termina conectores às quais chegam os terminais positivo e negativo da série de células. Nos bornes ( terminais ) das caixas conectam-se os cabos que ligam o módulo ao sistema. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 19 - 112
  20. 20. Etapas do processo de fabricação do módulo: a) Ensaio eléctrico e classificação das células b) Interconexão eléctrica das células. c) Montagem do conjunto. Colocação das células soldadas entre camadas de plástico encapsulante e laminas de vidro e plástico. d) Laminação do módulo. O conjunto é processado numa máquina semi-automática a alto vácuo que, por um processo de aquecimento e pressão mecânica, conforma o laminado. e) Curagem. O laminado processa-se num forno com temperatura controlada no qual completa-se a po- limerização do plástico encapsulante e alcança-se a adesão perfeita dos diferentes componentes. O conjunto, depois da curagem, constitui uma única peça. f) Emolduramento. 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. g) Colocação de terminais, bornes ( terminais ), díodos e caixas de conexões. h) Ensaio final Ensaio dos módulos Sobre os módulos deve medir-se e observar-se: a) Características eléctricas operacionais b) Isolamento eléctrico (a 3000 Volt de C.C.) c) Aspectos físicos, defeitos de acabamento, etc d) Resistência ao impacto e) Resistência à tracção das conexões f) Resistência à névoa salina e à humidade ambiente g) Comportamento a temperatura elevadas por períodos prolongados (100 graus Celsius durante 20 dias) h) Estabilidade às mudanças térmicas (de -40º C a +90º C) em ciclos sucessivos Os painéis solares são geradores eléctricos amigos do ambiente Os painéis solares geram energia solar, convertendo a luz em electricidade sem partes móveis, com zero emissões de CO2 e quase sem manutenção. Agrupamentos de painéis Podem ser ligados em paralelo para aumentar a corrente (mais energia) e ligados em série para aumentar a tensão para 24, 48 Volt, ou ainda maior tensão. A vantagem de utilizar uma maior tensão de saída nos painéis solares é que se pode usar cabo de secção menor para transferir a mesma energia eléctrica a partir do agrupamento de painéis solares para o controlador de carga, para as baterias ou para o inversor (conversor de CC em CA). Como o preço do cobre subiu consideravelmente nos últimos anos, é muito caro comprar condutores de cobre de secção elevada e assim opta-se pela solução de elevar a tensão dos conjuntos de painéis. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 20 - 112
  21. 21. Características Funcionais dos Módulos Solares Fotovoltaicos : a) Têm a energia solar como fonte de energia, substituindo os combustíveis e não libertando CO2 b) Geram energia mesmo em dias nublados; c) São leves compactos e de construção reforçada e duradoura; d) São de simples instalação; e) Têm fácil manuseio e transporte. f) Facilidade para ampliar os sistemas conforme a necessidade. g) Têm uma longa vida útil . Usualmente têm garantia de 25 anos com 80% do rendimento inicial. h) São compatíveis com qualquer tipo baterias; i) Têm funcionamento silencioso; j) Funcionamento simples e confiável; k) Manutenção quase inexistente; l) Não possuem partes móveis que podem se desgastar; m) Não produzem contaminação ambiental: usam materiais integralmente recicláveis Características Eléctricas dos Módulos Fotovoltaicos Geralmente a potência dos módulos é dada pela potência de pico, ou seja a potência máxima forneci- da em condições óptimas de temperatura e radiação solar incidente. Tão necessárias quanto este parâmetro, existem outras características eléctricas que melhor caracte- rizam a funcionalidade do módulo. As principais características dos módulos são as seguintes: a) Tensão em Circuito Aberto (VOC) b) Corrente de Curto Circuito (ISC) c) Potência Máxima (PM) d) Tensão Eléctrica à Potência Máxima (VMP) e) Corrente à Potência Máxima (IMP) A condição padrão para se obter as curvas característica dos módulos é definida pela radiação de 1000 W/m2, radiação recebida na superfície da Terra em dia claro ao meio-dia, e temperatura de 25º C na célula ( a eficiência da célula é reduzida com o aumento da temperatura.) Curva característica IxV mostrando a corrente Isc e Voc Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 21 - 112 - Isc – Corrente de curto-circuito - Voc – Tensão em circuito aberto
  22. 22. Combinações de células e curvas resultantes A tensão no ponto de máxima potencia de saída para uma célula é de aproximadamente 0,5 Volts em pleno sol. A corrente que entrega una célula é proporcional à superfície da mesma e à intensidade da luz. É por isso que para conseguir módulos com correntes de saída menores utilizam-se em sua fabri- cação terços, quartos, meios, etc de células. Um módulo fotovoltaico é um conjunto de células conectadas em série (somam-se suas tensões) que formam uma unidade com suficiente tensão para poder carregar uma bateria de 12 volts de tensão nominal (Esta bateria necessita entre 14 e 15 Volts para poder carregar-se plenamente). Para conseguir esta tensão necessitam-se entre 30 e 36 células de silício mono-cristalino conectadas em série. Características do Módulo: influência da radiação O resultado de uma mudança na intensidade de radiação é uma variação na corrente de saída para qualquer valor de tensão A corrente varia com a radiação de forma directamente proporcional. A ten- são mantém-se praticamente constante. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 22 - 112
  23. 23. Exemplo de variação da corrente para várias intensidades luminosas Efeito da temperatura O principal efeito provocado pelo aumento da temperatura do módulo é uma redução da tensão de forma directamente proporcional. Existe um efeito secundário dado por um pequeno incremento da corrente para valores baixos de tensão. É por isso que para locais com temperaturas ambientes muito elevadas são adequados módulos que possuam maior quantidade de células em série a fim de que as mesmas tenham suficiente tensão de saída para carregar baterias. Combinações de células e curvas resultantes A tensão no ponto de máxima potencia de saída para uma célula é de aproximadamente 0,5 Volts em pleno sol. A corrente que entrega una célula é proporcional à superfície da mesma e à intensidade da luz. É por isso que para conseguir módulos com correntes de saída menores utilizam-se em sua fabri- cação terços, quartos, meios, etc de células. Um módulo fotovoltaico é um conjunto de células conectadas em série (somam-se suas tensões) que formam uma unidade com suficiente tensão para poder carregar uma bateria de 12 volts de tensão nominal (Esta bateria necessita entre 14 e 15 Volts para poder carregar-se plenamente). Para conseguir esta tensão necessitam-se entre 30 e 36 células de silício mono-cristalino conectadas em série. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 23 - 112
  24. 24. Potencia máxima de saída durante o dia A característica I-V do módulo varia com as condições ambientais (radiação, temperatura). Isto quer dizer que haverá uma família de curvas I-V que nos mostrará as características de saída do módulo durante o dia numa época do ano. A curva de potência máxima de um módulo em função da hora do dia tem a forma indicada neste dia- grama de carga: A quantidade de energia que o módulo é capaz de entregar durante o dia é representada pela área compreendida sob a curva da acima e mede-se em Watts hora/dia. Observa-se que não é possível falar de um valor constante de energia entregue pelo módulo em Watts hora uma vez que varia conforme a hora do dia. Será necessário então trabalhar com os valo- res da quantidade de energia diária entregue. (Watts hora/dia). Interacção do dispositivo fotovoltaico com a carga A curva I-V corrigida para as condições ambientais reinantes, é só uma parte da informação necessá- ria para saber qual será a característica de saída de um módulo. Outra informação imprescindível é a característica operativa da carga a conectar. É a carga que determina o ponto de funcionamento na curva I-V. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 24 - 112
  25. 25. Interacção com uma carga resistiva No exemplo mais simples, se se conectam os bornes ( terminais ) de um módulo aos de uma lâmpa- da incandescente (que se comporta como uma resistência eléctrica) o ponto de operação do módulo será o da intersecção da sua curva característica com uma recta que representa graficamente a ex- pressão I= V / R , sendo R a resistência da carga a conectar. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 25 - 112
  26. 26. Interacção com uma bateria Uma bateria tem uma tensão que depende do seu estado de carga, antiguidade, temperatura, regime de carga e descarga, etc. Esta tensão é imposta a todos os elementos que a ela estão ligados, in- cluindo o módulo fotovoltaico. É incorrecto pensar que um módulo com uma tensão máxima de saída de 20 Volt elevará uma bateria de 12 volts para 20 volts e a danificará. É a bateria que determina o ponto de funcionamento do mó- dulo. A bateria varia sua amplitude de tensão entre 12 e 14 volts. Dado que a saída do módulo fotovoltaico é influenciada pelas variações de radiação e de temperatura ao longo do dia, isto se traduzirá numa corrente variável entrando na bateria. Interacção com um motor de corrente contínua Um motor de corrente contínua tem também uma curva I-V. A intersecção da mesma com a curva I-V do módulo determina o ponto de funcionamento. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 26 - 112
  27. 27. Quando se liga um motor directamente ao sistema fotovoltaico, sem bateria nem controles intermediários, di- minuem os componentes envolvidos e portanto aumenta a fiabilidade. Mas, como mostra a figura, não se aproveitará a energia gerada nas primeiras horas da manhã e ao entarde- cer. Principais aplicações dos painéis fotovoltaicos : a) Iluminação em geral; b) Iluminação residencial - (utiliza lâmpadas fluorescentes compactas PLSE de 9 Watts, equivalente a lâmpada de 60 watts incandescentes) super económica - de longa vida - gasta 0,75 ampére/hora, ou mais recentemente LEDS de alta intensidade ainda mais económicos com con- sumos entre 3 e 15 W e com um capacidade luminosa correspondente das lâmpadas anteriores de 25 a 250 W; c) Bombeamento de água; d) Cerca eléctrica; e) Recepção de TV/Antena Parabólica; f) Comunicação em geral e rádio comunicação; g) Telefonia celular e rural; h) Sinalização em geral; i) Carregador de baterias: Automóveis, camiões e máquinas agrícolas ; j) Embarcações em geral. Aplicações frequentes dos painéis fotovoltaicos: a) Electrificação de residências; b) Telecomunicações; c) Fornecimento de água potável e irrigação; d) Subestações energéticas; e) Refrigeração medicinal; f) Iluminação pública; g) Sinalização/bóias marítimas; h) protecção catódica contra corrosão em tubagens. i) Cercas eléctricas Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 27 - 112
  28. 28. Sistema Solar fotovoltaico Um sistema solar fotovoltaico é um con- junto de equipamentos ligados entre si formando um circuito eléctrico que per- mite gerar energia eléctrica e disponibi- liza-la para os equipamentos consumi- dores de forma estabilizada e padroni- zada. O sistema solar fotovoltaico é silencioso não sendo necessário socorrer-se mo- tores, o “combustível solar” nunca se acaba e, ainda, tem a vantagem do sol ser gratuito. Outra grande vantagem da energia solar, é a possibilidade de se ampliar à medida que se necessita de mais energia, sendo necessário para isso apenas a conexão de mais painéis solares. Com os equipamentos disponíveis comercialmente pode ser usado para alimentar todo o tipos de consumidores. Na prática existem dois tipos de sistemas solares fotovoltaicos: a) Os sistemas autónomos ou isolados b) Os sistemas ligados à rede Sistemas autónomos Os sistemas autónomos precisam de acumular energia, para compensar as diferenças existentes no tempo entre a produção de energia e do seu consumo. As baterias recarregáveis são as mais apropriadas como acumuladores de energia. A utilização de acumuladores obriga a que se torne indispensável a utilização de um regulador de carga e descarga adequado, que faça a gestão do processo de carga e descarga, por forma a proteger e garantir uma elevada fiabilidade e um maior tempo de vida útil dos acumuladores. Um sistema autónomo típico tem os seguintes componentes: 1. Gerador fotovoltaico (um ou vários módulos fotovoltaicos, maioritariamente dispostos em paralelo) 2. Regulador de carga 3. Acumulador 4. Inversor 5. Consumidor Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 28 - 112
  29. 29. Princípio de um sistema fotovoltaico autónomo Os acumuladores e os reguladores, bem como os inversores autónomos potencialmente mais utilizados, serão tratados no capítulo 3. No capítulo 6, toda a planificação de um sistema e o seu respectivo desenho final, serão ilustrados pormenorizadamente. Sistemas ligados à rede Será de prever na Europa um forte crescimento, no que respeita aos sistemas fotovoltaicos com ligação à rede pública eléctrica. No caso concreto da Alemanha, os sistemas fotovoltaicos com ligação à rede, foram instalados com maior intensidade após a entrada em vigor de subsídios governamentais no âmbito do “Pro- grama dos 1.000 telhados” (1991-1995). Com a posterior evolução para o “Programa dos 100.000 telhados” (desde 1999) e o “Decreto das Fontes de Energia Renovável” (EEG1/4/2000), o Governo Federal lançou no mercado um conjunto de programas dinamizadores, os quais tiveram reconhecimento a nível mundial. Em Portugal os governos recentes (2002 a 2009) têm criado incentivos ao investimento em sistemas ligados à rede pública tanto familiares como industriais. Um dos aspectos mais importantes dos sistemas fotovoltaicos ligados à rede, tem sido a sua interligação à rede pública eléctrica. Um sistema fotovoltaico com ligação à rede é composto, normalmente, pelos seguintes componentes: 1. Gerador fotovoltaico (vários módulos fotovoltaicos dispostos em série e em paralelo, com estruturas de su- porte e de montagem) 2. Caixa de junção (equipada com dispositivos de protecção e interruptor de corte principal DC) 3. Cabos AC-DC 4. Inversor 5. Mecanismo de protecção e aparelho de medida A figura a seguir mostra a estrutura principal de um sistema fotovoltaico com ligação à rede. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 29 - 112
  30. 30. Estrutura Principal de um sistema fotovoltaico com ligação à rede Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 30 - 112
  31. 31. Instalações de Energia Solar Residenciais Um ambiente “solar”, é um ambiente com 3R onde as palavras de ordem são : reduzir, reutilizar e reci- clar ou seja Economia e mais Economia Com o sistema solar fotovoltaico não pode haver excessos: os aparelhos ligados a ele têm que ser económi- cos. Todos devem ser de classe A de eficiência energética. As lâmpadas incandescentes comuns, por exemplo, são substituídas pelas fluorescentes compactas de 9 watts ou fluorescentes tubulares 12 volts ou mais recentemente pelas luminárias de LED de alta intensidade que são ainda mais económicos, que produzem a mesma luminosidade com 80% menos de energia. Frigorífi- co, secador de cabelo, ferro eléctrico e chuveiro eléctrico, normalmente não têm tecnologia económica, por- tanto não os recomendamos para uso directo com a Energia Solar Fotovoltaica onde a potência instalada seja menor do que 5KW. Componentes típicos de sistema solar fotovoltaico . 1. Módulo Solar (gera energia). 2. Controlador de carga (protege e optimiza o sistema). 3. A corrente é armazenada em baterias de 12 volts (próprias para uso estacionário). Recomenda-se a bateria selada, pois não precisa adição de água. 4, 5,6,7,8,9 – Equipamentos de consumo típicos numa casa. Esse sistema simples pode manter acesa uma lâmpa- da PLSE 9 watts por 15 horas com inversor ou pode alimentar um aparelho de TV 12 volts durante 6 ho- ras, juntamente com uma antena parabólica com re- ceptor 12 volts ou, fazer funcionar um Telefone rural ou um equipamento de rádio amador durante 1 hora em 12 volts ou Rádio ou equipamento de Som 12 volts ou Bomba D’água 12 volts. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 31 - 112
  32. 32. Com o inversor pode-se usar aparelhos em 12/24/48 ou 220 volts 1. A placa recebe o sol e o transforma em cor- rente eléctrica contínua, 12 volts. 2. Controlador de carga da bateria, para evitar sua sobrecarga ou descarga total. 3. A bateria de 12 volts armazena a electricida- de. 4. Usando um aparelho chamado Inversor, con- vertem a corrente contínua 12 volts em cor- rente alternada 110 volts 220 volts. 5. Assim, é possível utilizar alguns electrodo- mésticos convencionais, como batedeira, li- quidificador, ventilador, desde que não fi- quem ligados por muito tempo. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 32 - 112
  33. 33. Microgeração - tornar-se um produtor individual de energia eléctrica Os governos da Comunidade Europeia incluindo o governo Português estão a incentivar o investi- mento particular na geração de energia eléctrica “verde” com particular destaque para a energia foto- voltaica. Assim nos termos da lei a microgeração particular é subvencionada através da dedução de parte do investimento no IRS e através de subvenção aos preços de venda que fazem com que os preços de venda sejam mais de 5 vezes o preço de compra. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 33 - 112
  34. 34. CAPÍTULO 3 - Componentes de uma instalação fotovoltaica ligada à rede ou isolada. Directamente ligados a uma carga É o sistema mais simples de todos. O gerador fotovol- taico liga-se directamente à carga, geralmente um mo- tor de corrente contínua. Utiliza-se sobretudo na bom- bagem de água. Por não existirem baterias de acumula- dores nem componentes electrónicos melhora a fiabili- dade do sistema, mas torna-se difícil manter um desem- penho eficiente ao longo do dia. Sistema módulo-bateria de acumuladores Pode-se utilizar um módulo fotovoltaico para repor sim- plesmente a auto-descarga de uma bateria que se utili- ze para o arranque de um motor, por exemplo. Para isso podem utilizar-se os módulos de silício amorfo ou mono-cristalino. Outra importante aplicação em que o sistema fotovoltai- co se liga de forma directa à bateria é em sistemas de electrificação rural de baixa potência. Nesses casos uti- lizam-se um ou dois módulos de silício mono-cristalino de 30 células, cada um ligado em paralelo para alcan- çar a potência desejada Sistema fotovoltaico, bateria e regulador É a configuração utilizada com módulos de 33 ou 36 células na qual se liga o gerador fo- tovoltaico a uma bateria através de um regu- lador para que esta não se sobrecarregue. As baterias de acumuladores alimentam car- gas em corrente contínua. Bateria, inversor Na maior parte das vezes o sis- tema fotovoltaico destina-se a fornecer energia eléctrica a uma instalação existente, preparada para ter um suprimento perma- nente de energia a partir da rede eléctrica pública. Sendo por na- tureza a produção fotovoltaica dependente do ciclo solar circa- diano, a sua disponibilidade de energia não é compatível com as necessidades habituais dos con- sumo: a) Iluminação á noite b) Potência muito variável com picos de consumo em certas horas do dia e de valores em geral mais elevados do que o que o sistema fotovoltaico produz. c) Tensão de alimentação dos equipamentos consumidores em corrente alternada 220 V típica da rede eléctrica pública Assim o sistema solar fotovoltaico deve ter equipamentos que armazenem a energia produzida e a disponibili- zem sem interrupções em função das necessidades e com as características exigidas pelo consumo. Deve ainda ter equipamentos que transformem a corrente contínua produzida palas associações de painéis em cor- rente alternada de 220V. A potência gerada no sistema fotovoltaico poderá ser transformada com alto rendimento (cerca de 90%) em corrente alternada ou poderão alimentar-se simultaneamente cargas de corrente contínua (C.C.) e de corren- te alternada (C.A.) Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 34 - 112
  35. 35. Reguladores de carga de baterias Existem diversos tipos de reguladores de carga. A concepção mais simples é aquela que envolve uma só etapa de controlo. O regulador verifica (monitora) constantemente a tensão da bateria de acu- muladores. Quando a referida tensão alcança um valor para o qual se considera que a bateria se encontra carre- gada (aproximadamente 14.1 Volts para uma bateria de chumbo ácido de 12 Volts nominais) o regu- lador interrompe o processo de carga. Isto pode ser conseguido abrindo o circuito entre os módulos fotovoltaicos e a bateria ( controlo tipo serie ) ou curto-circuitando os módulos fotovoltaicos (controlo tipo shunt - paralelo). Quando o consumo faz com que a bateria comece a descarregar-se e portanto a baixar sua tensão, o regulador reconecta o gerador à bateria e recomeça o ciclo. No caso de reguladores de carga cuja etapa de controlo opera em dois passos, a tensão de carga a fundo da bateria pode ser algo superior a 14,1 Volts. O regulador fica definido ao especificar o seu nível de tensão (que coincidirá com o valor de tensão do sistema) e a corrente máxima que deverá manejar. Para ilustrar com um exemplo simples, suponha-se que se tenha de alimentar uma habitação rural com consumo em 12 Vcc. e para isso se utilizem dois módulos fotovoltaicos. A corrente máxima des- tes módulos é Imp = 2,75 A e a corrente de curto-circuito Icc. = 3 A. Quando os módulos estão em paralelo a corrente total máxima que deverá controlar o regulador será I total = 2 x 3 A =6 A Considera-se a corrente de curto-circuito para contemplar a pior situação. O regulador a escolher, portanto, deverá estar concebido para trabalhar a uma tensão de 15 Volts (tensão de trabalho dos módulos) e manejar uma corrente de 6 A. Baterias de acumuladores A função prioritária das baterias num sistema de geração fotovoltaico é acumular a energia que se produz durante as horas de luminosidade a fim de poder ser utilizada à noite ou durante períodos pro- longados de mau tempo. Outra importante função das baterias é prover uma intensidade de corrente superior àquela que o dispositivo fotovoltaico pode entregar. É o caso de um motor, que no momento do arranque pode exigir uma corrente de 4 a 6 vezes sua corrente nominal durante uns poucos se- gundos. Interacção entre módulos fotovoltaicos e baterias Normalmente o banco de baterias de acumuladores e os módulos fotovoltaicos trabalham em conjun- to para alimentar as cargas. A figura a seguir mostra como se distribui a entrega de energia à carga ao longo do dia. Durante a noite toda a energia pedida pela carga é fornecida pelo banco de baterias. Em horas matutinas os módulos começam a gerar, mas se a corrente que fornecerem for menor que aquela que a carga exige, a bateria deverá contribuir. A partir de uma determinada hora da manhã a energia gerada pelos módulos fotovoltaicos supera a energia média procurada. Os módulos não só atenderão a procura e além disso o excesso será armazenado na bateria que começará a carregar-se e a recuperar-se da sua descarga da noite anterior. Finalmente durante a tarde, a corrente gerada diminui e qualquer diferença em relação à procura será entregue pela bateria. Durante a noite, a produção é nula e todo o consumo vem da(s) bateria(s) de acumuladores. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 35 - 112
  36. 36. Os equipamentos que permitem compatibilizar as necessidades do consumo com as capacidades de geração fotovoltaica são: a) Baterias b) Controladores de carga c) Inversores Bateria É o elemento destinado a acumular a energia eléctrica gerada pelo painel tornando-a disponível sempre que necessário. Embora muitos tipos diferentes de baterias sejam usa- dos, a única característica que todas elas devem ter em comum é serem. Baterias de ciclo profundo, ou estacionárias. Ao contrário das baterias de carro, que são baterias de ciclo-baixo, as baterias de ciclo profundo podem des- carregar mais a energia armazenada enquanto man- têm uma longa vida. No arranque do carro, as baterias descarregam uma grande corrente num período muito curto e, imediatamente, recarregam quando o motor trabalha. As baterias PV geralmente tem de descarregar uma corrente menor por um período maior (como durante a noite toda), e são carregadas durante o dia. As baterias de ciclo-profundo mais usadas são as baterias de chumbo ( seladas e ventiladas) e as baterias de níquel-cádmio. As baterias de níquel-cádmio são mais caras, mas duram mais e podem ser descarregadas mais por completo sem causar danos. Mesmo as baterias de chumbo de ciclo pro- fundo não podem ser descarregadas 100% sem reduzir seriamente o tempo de vida e, geralmente, os sistemas PV são projectados para descarregar as baterias de chumbo não mais de 40 ou 50%. Baterias de chumbo com Manutenção ( não seladas ou ventiladas ) As baterias de chumbo-ácido aplicam-se amplamente nos sistemas de geracão fotovoltaicos. Dentro da categoria chumbo-ácido, as de chumbo-antimónio, chumbo-selénio e chumbo-cálcio são as mais comuns. A unidade de construção básica de uma bateria é a célula de 2 Volts. Dentro da célula, a tensão real da bateria depende do seu estado de carga, se está a carregar, a descarregar ou em circuito aberto. Em geral, a tensão de uma célula varia entre 1,75 Volts e 2,5 Volts, sendo a média cerca de 2 Volts, tensão que se costuma chamar nominal da célula. Quando as células de 2 Volts se ligam em série (POSITIVO A NEGATIVO) as tensões das células so- mam-se, obtendo-se desta maneira baterias de 4, 6,12 Volts, etc. Se as baterias estiverem ligadas em paralelo (POSITIVO A POSITIVO E NEGATIVO A NEGATIVO) as tensões não se alteram, mas somar-se-ão suas capacidades de corrente. Só se devem ligar em paralelo baterias de igual tensão e capacidade. Pode-se fazer uma classificação das baterias com base na sua capacidade de armazenagem de energia (medida em Ah à tensão nominal) e no seu ciclo de vida (número de vezes em que a bateria pode ser descarregada e carregada a fundo antes que se esgote sua vida útil). A capacidade de armazenagem de energia de uma bateria depende da velocidade de descarga. A ca- pacidade nominal que a caracteriza corresponde a um tempo de descarga de 10 horas. Quanto maior for o tempo de descarga, maior será a quantidade de energia que a bateria fornece. Um tempo de descarga típico em sistemas fotovoltaicos é 100 hs. Por exemplo, uma bateria que possua uma capacidade de 80 Ah em 10 hs (capacidade nominal) terá 100 Ah de capacidade em 100 hs. Dentro das baterias de chumbo-ácido, as denominadas estacionárias de baixo conteúdo de antimónio são uma boa opção em sistemas fotovoltaicos. Elas possuem uns 2500 ciclos de vida quando a pro- fundidade de descarga é de 20 % (ou seja, que a bateria estará com 80 % da sua carga) e uns 1200 ciclos quando a profundidade de descarga é de 50 % (bateria com 50 % da sua carga). As baterias estacionárias possuem, além disso, uma baixa auto-descarga (3 % mensal aproximada- mente contra uns 20 % de uma bateria de chumbo-ácido convencional) e uma manutenção reduzida. Dentro destas características enquadram-se também as baterias de chumbo-cálcio e chumbo-selénio, que possuem uma baixa resistência interna, valores desprezíveis de gaseificação e uma baixa auto- descarga. Baterias seladas Gelificadas Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 36 - 112
  37. 37. Estas baterias incorporam um electrólito do tipo gel com consistência que pode variar desde um esta- do muito denso ao de consistência similar a uma geleia. Não derramam, podem montar-se em quase todas as posições e não admitem descargas profundas. Electrólito absorvido O electrólito encontra-se absorvido numa fibra de vidro micro-poroso ou num entrançado de fibra poli- mérica. Tal como as anteriores não derramam, montam-se em qualquer posição e admitem descar- gas moderadas. Tanto estas baterias como as Gelificadas não exigem manutenção com acrescentos de água e não desenvolvem gases, evitando o risco de explosão, mas ambas requerem descargas pouco profundas durante sua vida útil. Níquel-Cádmio As principais características são : a) O electrólito é alcalino b) Admitem descargas profundas de até 90% da capacidade nominal c) Baixo coeficiente de auto-descarga d) Alto rendimento sob variações extremas de temperatura e) A tensão nominal por elemento é de 1,2 Volts f) Alto rendimento de absorção de carga (superior a 80%) g) Custo muito elevado em comparação com as baterias ácidas Tal como as baterias de chumbo-ácido, estas podem ser obtidas nas duas versões: standard e seladas. Utili- za-se a mais conveniente conforme a necessidade de manutenção admissível para a aplicação prevista. Dado seu alto custo, não se justifica sua utilização em aplicações rurais. Baterias Necessárias Recomenda-se que a capacidade da bateria seja de 150 ampére, por painel. Então, para 2 painéis de 24 V recomenda-se o uso de 4 baterias de 12 volts, 150 ampére cada uma. Colocando-se 2 baterias de 150 ampére em paralelo, teremos então, 300 ampére. Controlador de Carga O uso das baterias também requer a instalação de outro componente chamado controlador de carga. As baterias duram muito mais se tomar cuidado para que não sejam sobrecarregadas ou descarregadas demais. É isso que o controlador de carga faz. Uma vez que as baterias estejam totalmente carrega- das, o controlador não deixa que a corrente dos módulos PV continu- em fluindo para eles. Também, uma vez que as baterias tenham sido descarregadas até certo nível, controladas pela medição de voltagem, muitos controladores de carga não permitirão que mais corrente seja drenada das baterias até que elas tenham sido recarregadas. O con- trolador de carga optimiza o uso da Energia Fotovoltaica a) Protege a bateria contra sobrecargas e descargas excessivas; b) Não permite a descarga total da bateria desligando o sistema; c) Garante mais vida útil à bateria; d) Protege o módulo evitando o retorno da energia. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 37 - 112
  38. 38. Inversor A sua finalidade é transformar corrente contínua dos painéis para corrente alternada sinusoidal de 220 volts / 50 Hz. O seu uso consome +/- 2 a 5% da energia. Existem inversores específicos para instalações isoladas e inversores próprios para se sincronizarem com a rede ( os usados por exemplo na micro-geração) Existem dois tipos : com transformador e isolamento galvânico DC-AC e sem transformador - sem isolamento galvânico. O inversor pode alimentar aparelhos e equipamentos com a tensão AC nominal da rede. Conergy IPG S series A gama de inversores Conergy IPG S series são inversores de conexão à RESP de 3,4 a 5 kW. Estão dese- nhados para serem utilizados em instalações pequenas e médias e podem-se combinar com uma grande va- riedade de módulos. Los inversores IPG S são uma opção segura para obter grandes rendimentos, graças à sua excelente eficiência, tecnologia exclusiva e patentada. Tudo isto se complementa com ferramentas de operação e manutenção, extensão de garantia e serviços opcionais. Sistema de Alto Rendimiento Mayor rendimiento: Hasta un máximo de 97,7 % de factor de eficiência y un 97% de factor de eficiência europea. Adaptación para ofrecer siempre el mejor rendimiento ante variaciones de las condicciones de irradiacción solar: Seguimiento MPP en una fracción de segundo. Producción óptima en condicciones extremas de temperatura gracias al sistema de refirgeracción PowerCool1 . Seguridad para su inversión gracias a una garantía del fabricante de hasta 25 años2 Larga vida útil gracias a los componentes de alta calidad y la protección IP65 Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 38 - 112
  39. 39. CAPÍTULO 4 -CABOS E ACESSÓRIOS Condutor: Cobre estanhado, classe 5 Isolamento Poliolefina modificada Reticulado sem halogéneos Camada Exterior Poliolefina modificada Reticulado sem halogéneos Resistente a UV Cabos eléctricos “Solares” Condições gerais: Para a instalação eléctrica de um sistema fotovoltaico, apenas devem ser usados cabos de cobre e que cumpram os requisitos para esta aplicação. Antes de mais é necessário distinguir entre os cabos de módulo ou de fileira, cabo principal DC e cabo do ramal AC. Designam-se por “cabos de módulo” ou “cabos de fileira”, os condutores que estabelecem a ligação eléctrica entre os módulos individuais de um gerador solar e a caixa de junção do gerador ou do regu- lador de tensão se o sistema usa baterias. Estes cabos são aplicados no exterior. Com o objectivo de garantir protecção contra a ocorrência de falhas de terra, bem como de curto-circuitos, os condutores positivos e negativos não podem ser colocados lado a lado no mesmo cabo. Deverão ser aplicados cabos mono-condutor flexível próprios para instalações exteriores, com isola- mento duplo, resistente aos raios ultravioletas e não propagante do fogo, e de preferência isento de halogéneos, pois são a melhor solução, oferecendo uma elevada segurança. A versão standard do cabo de duplo isolamento usada nas instalações eléctricas comuns apenas permite temperaturas máximas de 60 ºC. Nas aplicações exteriores no telhados já foram medidas temperaturas que vão até 70 ºC no telhado. Por este motivo são usados os “cabos solares” nas apli- cações exteriores. As características principais destes cabos são a resistência aos ultra-violetas e ao clima, sendo apropriados para um largo espectro de temperaturas (entre -55 ºC e 125 ºC). Nas insta- lações interiores integradas nos telhados poderão ser usados cabos standard. Os cabos solares têm longa duração e características eléctricas e mecânicas perfeitamente adapta- das às instalações foto-voltaicas. Nomeadamente são garantidos para trabalho até 1000 V (em mui- tas pequenas instalações a tensão por fileira pode atingir os 600 V CC. Deve-se respeitar o código de cores para fios e condutores utilizados internacionalmente em sistemas de corrente contínua: vermelho (+) pólo positivo; preto (-) pólo negativo. A caixa de junção do módulo (quando exista) permite que sejam fixados cabos com uma secção transversal de 1,5 mm2 até 6,0 mm2. A tabela a seguir apresenta uma lista de alguns tipos de cabos de fileira de vários fabricantes e as respectivas características. 1. Estabilidade mecânica Compressão, tensão, torção e dureza 2. Resistência climatérica Resistência aos raios UV e ao ozono num traçado exterior des- protegido, comportamento térmico (temperaturas: 70 °C no telha- do, 55 °C no sótão) 3. Protecção contra contactos directos e indirectos Linha individual com duplo isolamento Tabela - Propriedades dos cabos solares comuns aos vários fabricantes Os tipos de cabo acima mencionados, podem também ser utilizados para o cabo principal DC. Este cabo estabelece a ligação entre a caixa de junção do gerador e o inversor. Se a caixa de junção do gerador estiver localizada no exterior, estes cabos devem ser entubados, uma vez que não são resis- tentes aos raios ultravioletas. Sempre que houver possibilidade de opção, os cabos de poli-cloreto de vinilo (PVC) não deverão ser usados no exterior e quando tiverem de ser usados devem estar sempre protegidos por caminhos de cabos ou tubagens. Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 39 - 112
  40. 40. Por razões associadas à protecção contra falhas de terra e curto-circuitos, recomenda-se o uso de cabos mono-condutores isolados para as linhas positiva e negativa. Se forem usados cabos multi- condutores, o condutor de protecção verde/amarelo não deverá estar sujeito a qualquer tensão. Para as instalações foto-voltaicas expostas ao risco de incidência de relâmpagos, deverão ser usados cabos blindados. Os cabos devem ser encaminhados de modo a que a sua integridade mecânica nunca seja posta em causa (ex. pela acção vibrações ou de animais roedores), para isso os cabos devem seguir em tubagens ou caminhos de cabos adequados. Deverá ser sempre possível isolar os circuitos dos condutores da tensão de fileira da linha principal DC. Normalmente, o interruptor princi- pal DC e os pontos de isolamento da caixa de junção do gerador asseguram esta função. Na ligação dos painéis ao inversor como cabo de fileira utilizar-se-ão cabos solares do tipo XLPE-HF- FR 0.4/1KV ou XLPE-HFFR 0.6/1KV, com a ficha técnica abaixo Cabo Solar DC - características técnicas Este cabo é apropriado para uso no exterior em locais secos ou húmidos (resistente a agua não es- tando imerso). Também pode ser instalado directamente na terra, se devidamente protegido contra acções mecânicas. Condutor - multifilar, em cobre 1o Isolamento – Halogéneo XLPE Flexível Cobertura - Halogéneo Resistente a raios U V Cabo Solar (DC) Propriedades Técnicas Temperatura de Operacao (°C) -40 a +160 Temperatura de Pico 150 °C por 500h Max. Temperatura curto - circuito 200 °C por 15 s Max. Tensão (kV) 0,8/1,5 Tensão de Teste (kV) 5 Potencia máxima de saída (W) 3600 Cores disponíveis Preto, Azul e Vermelho CERTIFICACAO STANDARD - IEC 60332.1 - CEI 20-29 Interruptores de fileira e interruptor geral O dispositivo interruptor (caso seja pretendido) deverá ser um conector, a protecção contra sobrecar- gas esta integrada no inversor. Existem basicamente dois tipos de condutores: Condutor rígido (unifilar). É mais indicado para interligação à rede 220V existente ou seja para ligar depois do inversor. O con- dutor rígido não é recomendado para sistemas de corrente contínua (12 ou 24v ou tensões superio- res). Condutor flexível (multifilar). É mais indicado para interligação com sistemas de corrente contínua (12 ou 24v ou tensões superio- res) . Para 1 módulo ou uma fileira de módulos em série (5 a 8 A de débito) recomenda-se: a) Cablagem central até 30m usar pelo menos 4mm ( melhor 6 mm); Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 40 - 112
  41. 41. b) Até 80m usar 6mm; c) Até 150m usar 10mm. Para 2 a 6 módulos ou seja 2 a 6 fileira de módulos (10 a 30 A de débito) recomenda-se: a) Cablagem central até 30m usar 6mm; b) Até 80m usar 10mm; c) Até 150m usar 10mm. Cabo principal DC Os tipos de cabo acima mencionados, podem também ser utilizados para o cabo principal DC. Este cabo estabelece a ligação entre a caixa de junção do gerador e o inversor. Se a caixa de junção do gerador estiver localizada no exterior, os cabos standard cabos devem ser entubados, uma vez que não são resistentes aos raios ultra-violetas. Sempre que houver possibilidade de opção, os cabos de poli-cloreto de vinilo (PVC) não deverão ser usados no exterior. O material halogeneizado PVC é fre- quentemente utilizado nas instalações eléctricas. Tendo em consideração os impactos no ambiente, deverão ser escolhidos produtos isentos de halogéneo. Por razões associadas à protecção contra fa- lhas de terra e curto-circuitos, recomenda-se o uso de cabos mono-condutores isolados para as li- nhas positiva e negativa. Se forem usados cabos multi-condutores, o condutor de protecção verde/amarelo não deverá estar sujeito a qualquer tensão. Para as instalações foto-voltaicas expostas ao risco de incidência de relâmpagos, deverão ser usados cabos blindados Os cabos devem ser en- caminhados de modo a que a sua integridade mecânica nunca seja posta em causa (ex. Pela acção de roedores). Deverá ser sempre possível isolar os condutores da tensão da linha principal DC. Nor- malmente, o interruptor principal DC e os pontos de isolamento da caixa de junção do gerador asse- guram esta função. Cabo de ligação AC O cabo de ligação de corrente alternada liga o inversor à rede receptora, através do equipamento de protecção. No caso dos inversores tri-fásicos, a ligação à rede de baixa tensão é efectuada com um cabo de cinco condutores. Para os inversores mono-fásicos é usado um cabo de três condutores. Outros acessórios da instalação Os cabos devem ser colocados através de materiais de fixação apropriados. Os vários materiais da instalação, tais como as abraçadeiras dos cabos, devem também ser resistentes aos agentes atmos- féricos. As opções mais simples para fixar os cabos são, sem dúvida alguma, as abraçadeiras. Os tubos fle- xíveis de protecção, as calhas e os clips, também poderão ser usados como sistemas alternativos de fixação. Sistemas de ligação ou conectores Os conectores para os cabos eléctricos dos painéis devem ser igualmente próprios para instalação exterior, estanques e resistentes à radiação e corrosão. A ligação dos cabos de fileira e outras liga- ções eléctricas DC, devem ser levadas a cabo com extremo cuidado. A fraca qualidade dos contactos eléctricos podem levar ao aparecimento de arcos e consequentemente, ao aumento do risco de in- cêndio. Normalmente são usados quatro sistemas de ligação: Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 41 - 112
  42. 42. 1) Ligadores de aperto por parafuso Para se ligar cabos flexíveis de fios entrançados aos ligadores de parafuso, são usadas terminações metáli- cas com mangas de protecção. 2) Terminais de orelha A ligação dos terminais de poste é efectuada com terminal com orelha, que estão presas entre a porca e o parafuso. 3) Ligadores de acoplamento por mola Nas caixas de junção que usam ligadores de mola, os cabos podem ser presos em segurança sem serem ne- cessárias terminações metálicas. 4) Fichas de engate Por forma a simplificar a instalação, é cada vez mais comum a oferta de módulos fotovoltaicos e cabos com fi- chas isoladas. Cabo de módulo com fichas de engate Fotografia: MultiContact Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 42 - 112
  43. 43. O sistema de ligação ilustrado na figura , permite inserir e retirar as fichas dos cabos usando as ferramentas de electricista específicas. Detalhe da ficha Fotografia: Tyco Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 43 - 112
  44. 44. CAPÍTULO 5 –Resposta às Perguntas Frequentes FAQ 1). O que são os módulos foto-voltaicos? Os módulos foto-voltaicos são dispositivos que convertem a energia luminosa directamente em ener- gia eléctrica (DC). São produzidos a partir de materiais semicondutores, normalmente o Silício e as três principais tecno- logias disponíveis são as denominadas: Células de Silício Mono-cristalino (eficiência de 12 a 16%), Células de Silício Poli-cristalino (eficiência de 11 a 14%) e as Células de Silício Amorfo (eficiência de 5 a 8%). 2). Quais são as principais aplicações dos sistemas foto-voltaicos?. Os sistemas foto-voltaicos têm sido tradicionalmente utilizados para fornecer energia a cargas eléctri- cas distantes da rede eléctrica convencional, como sejam zonas remotas, sistemas de bombagem e tratamento de água, sistemas de comunicação, sinalização náutica, rodoviária e ferroviária, em siste- mas de segurança, iluminação pública, estações de monitorização ambiental, etc. Actualmente, começam a tornar-se comuns os sistemas foto-voltaicos interligados à rede eléctrica. Estes têm a vantagem de não requererem o uso de baterias. 3). Os sistemas foto-voltaicos servem para aquecimento de água? Sim. Embora seja tecnicamente possível utilizar a energia eléctrica gerada pelos módulos foto-voltai- cos para o aquecimento de água, isto não é economicamente viável. Para o aquecimento de água a partir de energia solar são utilizados os colectores solares térmicos. 4). Quais são os componentes dos sistemas foto-voltaicos para a geração autónoma de energia? Para estes casos são necessários os seguintes equipamentos: a) Painel fotovoltaico - composto por um ou mais módulos foto-voltaicos, que funcionam como gera- dores de energia eléctrica; b) Banco de baterias - composto por uma ou mais baterias e onde é armazenada de energia eléctri- ca para uso durante a noite ou em períodos de nebulosidade, quando não há disponibilidade de radiação solar; c) Controlador de carga - dispositivo electrónico que protege as baterias contra sobrecargas ou des- cargas excessivas; d) Inversor - dispositivo electrónico que converte a energia eléctrica de corrente contínua (DC) para corrente alternada (AC), de forma a permitir a utilização de electrodomésticos convencionais. Al- guns sistemas pequenos não empregam inversor e utilizam cargas alimentadas directamente por corrente contínua (DC). e) Cabos e acessórios de conexão 5). Quais são os componentes dos sistemas foto-voltaicos para a ligação à rede eléctrica? Para estes casos são necessários os seguintes equipamentos: a) Painel fotovoltaico - composto por um ou mais módulos foto-voltaicos, que funcionam como gera- dores de energia eléctrica; b) Inversor para injecção na rede - dispositivo electrónico que converte a energia eléctrica de corren- te contínua (DC) para corrente alternada (AC), adequada à injecção directa na rede eléctrica; c) Os sistemas ligados à rede geralmente não necessitam de baterias, funcionando a rede eléctrica como uma "grande bateria". d) Cabos e acessórios de conexão 6). Quais são os componentes dos sistemas foto-voltaicos autónomos para bombeamento de água? Para estes casos são necessários os seguintes equipamentos: a) Painel fotovoltaico - composto por um ou mais módulos foto-voltaicos, que funcionam como gera- dores de energia eléctrica; b) Controlador de bomba - dispositivo electrónico que condiciona a energia gerada pelo painel foto- voltaico de forma a ser utilizada pelo motor de forma eficiente; c) Conjunto motor/bomba - pode ser de diversos tipos, e utilizar motores eléctricos DC ou AC (de- pendente do fabricante); d) Sistema hidráulico - tubagens, reservatório, etc. e) Cabos e acessórios de conexão Curso organizado por : ADIV - Associação para o Desenvolvimento e Investigação de Viseu Campus Politécnico 3504-510 VISEU Telefone: 232 480 662 Fax: 232 480 551 e.mail: adiv@adiv.pt Página 44 - 112

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