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Introdução a Energia Solar
Fotovoltaica
Robson Josué Molgaro
Técnico em Eletrotécnica
Engenheiro de Controle e Automação
III SATEC
Agenda
1. A Energia Solar e as Energias Renováveis
2. Energia Solar Fotovoltaica no Brasil
3. O Aproveitamento da Energia Solar
4. Conceitos Técnicos Básicos
5. Células e Módulos Fotovoltaicos
6. Sistemas Fotovoltaicos Autônomos (SFA´s)
7. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica (SFCR´s)
1. A Energia Solar e as Energias
Renováveis
Fontes renováveis de energia
• São aquelas consideradas inesgotáveis para os
padrões humanos de utilização.
Energia Solar
• O sol é a principal fonte de energia do nosso
planeta.
2. Energia Solar Fotovoltaica no
Brasil
Situação atual
• Empregada principalmente em pequenos sistemas isolados ou
autônomos.
• Na eletrificação de propriedades rurais, bombeamento de água,
centrais remotas de telecomunicações.
• Programa Luz para Todos.
• O uso da energia solar fotovoltaica em breve estará concentrado
nos sistemas conectados à rede elétrica.
Potencial de utilização
3. O Aproveitamento da Energia
Solar
O aproveitamento da energia solar pode ser
feito de dois modos:
• Energia Solar Fototérmica
• Energia Solar Fotovoltaica
Energia Solar Fototérmica
• Consiste na captação da irradiação solar e
conversão direta em calor.
Energia Solar Fotovoltaica
• Consiste na conversão direta da luz solar em
energia elétrica.
Efeito Fotovoltaico
• Processo físico na qual uma célula fotovoltaica converte luz solar
em eletricidade.
• A luz solar é composta de fótons, ou partículas de energia solar, que
contém grande quantidade de energia. Quando os fótons colidem
com uma célula fotovoltaica, uma parte deles é absorvida e gera
eletricidade.
• Quando isto acontece, é transferida a energia do fóton a um elétron
em um átomo da célula. Com essa nova energia, o elétron sai de
sua posição original no átomo para tornar parte da corrente, em um
circuito elétrico. Deixando sua posição inicial, o elétron deixa uma
"lacuna" para que outro elétron a ocupe.
Efeito Fotovoltaico
• Para induzir o campo elétrico dentro de uma célula fotovoltaica, são
intercalados dois semicondutores separados, geralmente silício , o
"tipo N" e o "tipo P“.
• Embora ambos os materiais sejam eletricamente neutros, o silício
tipo-n tem elétrons (-) em excesso e o tipo-p (+) tem lacunas em
excesso. Intercalando estes, cria-se uma junção P-N e um campo
elétrico.
• Quando estes dois semicondutores são intercalados, os elétrons em
excesso do tipo-n fluem para o semicondutor do tipo-p, e os
elétrons que deixaram o tipo-n criam então lacunas no mesmo.
• Pelo fluxo de elétrons e lacunas, os dois semicondutores agem
como uma bateria e criam um campo elétrico na junção P-N.
• É este campo que faz com que os elétrons fiquem disponíveis para
o circuito elétrico. No mesmo instante, as lacunas se movem para a
direção oposta, para a superfície positiva onde elas esperam
elétrons livres.
4. Conceitos Técnicos Básicos
Tipos de Radiação Solar
• A radiação solar que atinge o solo é composta por raios solares que
chegam de todas as direções e são absorvidos, espalhados e
refletidos pelo ar, poeira e nuvens.
Radiação e Irradiância
• Uma grandeza empregada para quantificar a radiação solar é a
irradiância, expressa em W/m².
• Na superfície terrestre a irradiância da luz solar é tipicamente em
torno de 1000 W/m².
• Medindo-se a irradiância pode-se calcular a energia recebida do sol
num determinado período, por exemplo em um dia.
• Somando-se os valores da irradiância ao longo do tempo, obtém-se
o valor da energia recebida do sol durante o dia por unidade de
área, denominada insolação.
Insolação
• Expressa a energia solar que incide sobre uma determinada área de
superfície plana ao longo de um determinado intervalo de tempo.
• Sua unidade é o Wh/m², que representa a densidade energética por
área.
• Sundata
• Mapas de insolação
Introdução a energia solar fotovoltaica
A orientação dos módulos
fotovoltaicos
• O modo como os raios solares incidem sobre a superfície terrestre
depende da posição do sol no céu.
• O módulo fotovoltaico é instalado com ângulo de inclinação α em
relação ao solo e tem sua face voltada para o norte geográfico.
Introdução a energia solar fotovoltaica
Escolha do ângulo de inclinação do
módulo
• A escolha incorreta da inclinação reduz a captação dos raios solares
e compromete a produção de energia elétrica pelo módulo
fotovoltaico.
• O ideal é que a instalação permita que os raios solares incidam o
mais perpendicularmente possível à superfície do módulo.
Introdução a energia solar fotovoltaica
• Com o módulo em ângulo de inclinação fixo não se consegue
maximizar a captação dos raios solares em todos os dias ou meses
do ano, fazendo-se necessário adotar um ângulo que possibilite
uma boa produção média de energia ao longo do ano.
Latitude Ângulo de inclinação
0° a 10° α = 10°
11° a 20° α = latitude
21° a 30° α = latitude + 5°
31° a 40° α = latitude + 10°
40° ou mais α = latitude + 15°
Cascavel
Latitude = 24.96°
α = 24.96 ° + 5° = 29.96°
5. Células e Módulos Fotovoltaicos
Tipos de células fotovoltaicas
• O principal semicondutor utilizado na confecção de células
fotovoltaicas é o silício, podendo ser encontradas também células
com base em outros materiais.
• O silício empregado na fabricação é extraído do mineral quartzo,
sendo o Brasil um dos principais produtores mundiais desse
minério. Entretanto não se fabricam células fotovoltaicas em nosso
País.
• As tecnologias mais comuns em escala comercial são a do silício
monocristalino e a do silício policristalino.
Silício monocristalino
• Apresenta aspecto normalmente azulado escuro ou preto.
• Alcançam eficiências de conversão de 15 a 18%.
• Possuem custo elevado em comparação com outras tecnologias.
• São células rígidas e quebradiças, que precisam ser montadas em
módulos para adquirir resistência mecânica que possibilite a
utilização.
Introdução a energia solar fotovoltaica
Silício Policristalino
• As células policristalinas possuem aparência heterogênea e
normalmente possuem coloração azul.
• Possuem eficiência entre 13 e 15%.
• Custo relativamente menor às células monocristalinas.
• Assim como as monocristalinas, também precisam ser montadas
em módulos para adquirir resistência mecânica
Introdução a energia solar fotovoltaica
Introdução a energia solar fotovoltaica
Módulos Fotovoltaicos
• Um módulo fotovoltaico é
constituído de um conjunto de
células montadas sobre uma
estrutura rígida e conectadas
eletricamente.
• Normalmente as células são
conectadas em série para
produzir tensões maiores.
• Potências entre 50 e 300 W,
Tensões de até 37 V e até 8 A
de corrente elétrica.
Características dos módulos
• Os módulos são formados por um agrupamento de células
conectadas eletricamente em série.
• Cada célula fornece uma tensão de aproximadamente 0,6 V.
• Para produzir tensões maiores, os módulos são construídos
tipicamente com 36, 54 ou 60 células, dependendo da sua potência.
• A corrente elétrica produzida depende diretamente da área que fica
exposta ao sol. Quanto maior a área, maior a corrente fornecida.
Curvas de corrente, tensão e potência
• A tensão elétrica fornecida pelo módulo fotovoltaico depende da
sua corrente, e vice-versa.
Introdução a energia solar fotovoltaica
Influência da radiação solar
Influência da Temperatura
Folha de dados
6. Sistemas Fotovoltaicos
Autônomos
Introdução a energia solar fotovoltaica
Introdução a energia solar fotovoltaica
Baterias
Controlador de carga
• Interface entre os módulos
fotovoltaicos e o banco de baterias
• Evita que as baterias sejam
sobrecarregadas ou descarregadas
excessivamente.
Introdução a energia solar fotovoltaica
Inversor
Introdução a energia solar fotovoltaica
Introdução a energia solar fotovoltaica
Alimentação de cargas AC
Alimentação de cargas CC
Sistema sem baterias
7. Sistemas Fotovoltaicos
Conectados à Rede
Introdução a energia solar fotovoltaica
SFCR de Pequeno Porte -
Características
• Empregado em locais já atendidos por energia elétrica, operando
em paralelismo com a rede de eletricidade.
• Objetiva gerar eletricidade para o consumo local, de forma a reduzir
ou eliminar o consumo de energia da rede pública.
• Potência instalada de até 1MW
• Resolução 482/2012
Introdução a energia solar fotovoltaica
Inversor GridTie
• O inversor GridTie funciona apenas quando está conectado a uma
rede elétrica.
• Possui um sistema eletrônico de controle que o transforma em uma
fonte de corrente, fazendo com que a corrente injetada tenha
formato senoidal e esteja sincronizada com a tensão e a frequência
da rede.
• Inversores empregados em pequenos sistemas geralmente são
monofásicos e possuem potências de até 5 KW.
• Sistemas trifásicos podem ser atendidos com inversores
monofásicos em conexão trifásica.
Folha de dados
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Introdução a Energia Solar
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Introdução a energia solar fotovoltaica

  • 1. Introdução a Energia Solar Fotovoltaica Robson Josué Molgaro Técnico em Eletrotécnica Engenheiro de Controle e Automação III SATEC
  • 2. Agenda 1. A Energia Solar e as Energias Renováveis 2. Energia Solar Fotovoltaica no Brasil 3. O Aproveitamento da Energia Solar 4. Conceitos Técnicos Básicos 5. Células e Módulos Fotovoltaicos 6. Sistemas Fotovoltaicos Autônomos (SFA´s) 7. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede Elétrica (SFCR´s)
  • 3. 1. A Energia Solar e as Energias Renováveis
  • 4. Fontes renováveis de energia • São aquelas consideradas inesgotáveis para os padrões humanos de utilização.
  • 5. Energia Solar • O sol é a principal fonte de energia do nosso planeta.
  • 6. 2. Energia Solar Fotovoltaica no Brasil
  • 7. Situação atual • Empregada principalmente em pequenos sistemas isolados ou autônomos. • Na eletrificação de propriedades rurais, bombeamento de água, centrais remotas de telecomunicações. • Programa Luz para Todos. • O uso da energia solar fotovoltaica em breve estará concentrado nos sistemas conectados à rede elétrica.
  • 9. 3. O Aproveitamento da Energia Solar
  • 10. O aproveitamento da energia solar pode ser feito de dois modos: • Energia Solar Fototérmica • Energia Solar Fotovoltaica
  • 11. Energia Solar Fototérmica • Consiste na captação da irradiação solar e conversão direta em calor.
  • 12. Energia Solar Fotovoltaica • Consiste na conversão direta da luz solar em energia elétrica.
  • 13. Efeito Fotovoltaico • Processo físico na qual uma célula fotovoltaica converte luz solar em eletricidade. • A luz solar é composta de fótons, ou partículas de energia solar, que contém grande quantidade de energia. Quando os fótons colidem com uma célula fotovoltaica, uma parte deles é absorvida e gera eletricidade. • Quando isto acontece, é transferida a energia do fóton a um elétron em um átomo da célula. Com essa nova energia, o elétron sai de sua posição original no átomo para tornar parte da corrente, em um circuito elétrico. Deixando sua posição inicial, o elétron deixa uma "lacuna" para que outro elétron a ocupe.
  • 14. Efeito Fotovoltaico • Para induzir o campo elétrico dentro de uma célula fotovoltaica, são intercalados dois semicondutores separados, geralmente silício , o "tipo N" e o "tipo P“. • Embora ambos os materiais sejam eletricamente neutros, o silício tipo-n tem elétrons (-) em excesso e o tipo-p (+) tem lacunas em excesso. Intercalando estes, cria-se uma junção P-N e um campo elétrico. • Quando estes dois semicondutores são intercalados, os elétrons em excesso do tipo-n fluem para o semicondutor do tipo-p, e os elétrons que deixaram o tipo-n criam então lacunas no mesmo.
  • 15. • Pelo fluxo de elétrons e lacunas, os dois semicondutores agem como uma bateria e criam um campo elétrico na junção P-N. • É este campo que faz com que os elétrons fiquem disponíveis para o circuito elétrico. No mesmo instante, as lacunas se movem para a direção oposta, para a superfície positiva onde elas esperam elétrons livres.
  • 17. Tipos de Radiação Solar • A radiação solar que atinge o solo é composta por raios solares que chegam de todas as direções e são absorvidos, espalhados e refletidos pelo ar, poeira e nuvens.
  • 18. Radiação e Irradiância • Uma grandeza empregada para quantificar a radiação solar é a irradiância, expressa em W/m². • Na superfície terrestre a irradiância da luz solar é tipicamente em torno de 1000 W/m². • Medindo-se a irradiância pode-se calcular a energia recebida do sol num determinado período, por exemplo em um dia.
  • 19. • Somando-se os valores da irradiância ao longo do tempo, obtém-se o valor da energia recebida do sol durante o dia por unidade de área, denominada insolação.
  • 20. Insolação • Expressa a energia solar que incide sobre uma determinada área de superfície plana ao longo de um determinado intervalo de tempo. • Sua unidade é o Wh/m², que representa a densidade energética por área. • Sundata • Mapas de insolação
  • 22. A orientação dos módulos fotovoltaicos • O modo como os raios solares incidem sobre a superfície terrestre depende da posição do sol no céu. • O módulo fotovoltaico é instalado com ângulo de inclinação α em relação ao solo e tem sua face voltada para o norte geográfico.
  • 24. Escolha do ângulo de inclinação do módulo • A escolha incorreta da inclinação reduz a captação dos raios solares e compromete a produção de energia elétrica pelo módulo fotovoltaico. • O ideal é que a instalação permita que os raios solares incidam o mais perpendicularmente possível à superfície do módulo.
  • 26. • Com o módulo em ângulo de inclinação fixo não se consegue maximizar a captação dos raios solares em todos os dias ou meses do ano, fazendo-se necessário adotar um ângulo que possibilite uma boa produção média de energia ao longo do ano.
  • 27. Latitude Ângulo de inclinação 0° a 10° α = 10° 11° a 20° α = latitude 21° a 30° α = latitude + 5° 31° a 40° α = latitude + 10° 40° ou mais α = latitude + 15° Cascavel Latitude = 24.96° α = 24.96 ° + 5° = 29.96°
  • 28. 5. Células e Módulos Fotovoltaicos
  • 29. Tipos de células fotovoltaicas • O principal semicondutor utilizado na confecção de células fotovoltaicas é o silício, podendo ser encontradas também células com base em outros materiais. • O silício empregado na fabricação é extraído do mineral quartzo, sendo o Brasil um dos principais produtores mundiais desse minério. Entretanto não se fabricam células fotovoltaicas em nosso País. • As tecnologias mais comuns em escala comercial são a do silício monocristalino e a do silício policristalino.
  • 30. Silício monocristalino • Apresenta aspecto normalmente azulado escuro ou preto. • Alcançam eficiências de conversão de 15 a 18%. • Possuem custo elevado em comparação com outras tecnologias. • São células rígidas e quebradiças, que precisam ser montadas em módulos para adquirir resistência mecânica que possibilite a utilização.
  • 32. Silício Policristalino • As células policristalinas possuem aparência heterogênea e normalmente possuem coloração azul. • Possuem eficiência entre 13 e 15%. • Custo relativamente menor às células monocristalinas. • Assim como as monocristalinas, também precisam ser montadas em módulos para adquirir resistência mecânica
  • 35. Módulos Fotovoltaicos • Um módulo fotovoltaico é constituído de um conjunto de células montadas sobre uma estrutura rígida e conectadas eletricamente. • Normalmente as células são conectadas em série para produzir tensões maiores. • Potências entre 50 e 300 W, Tensões de até 37 V e até 8 A de corrente elétrica.
  • 36. Características dos módulos • Os módulos são formados por um agrupamento de células conectadas eletricamente em série. • Cada célula fornece uma tensão de aproximadamente 0,6 V. • Para produzir tensões maiores, os módulos são construídos tipicamente com 36, 54 ou 60 células, dependendo da sua potência. • A corrente elétrica produzida depende diretamente da área que fica exposta ao sol. Quanto maior a área, maior a corrente fornecida.
  • 37. Curvas de corrente, tensão e potência • A tensão elétrica fornecida pelo módulo fotovoltaico depende da sua corrente, e vice-versa.
  • 46. Controlador de carga • Interface entre os módulos fotovoltaicos e o banco de baterias • Evita que as baterias sejam sobrecarregadas ou descarregadas excessivamente.
  • 56. SFCR de Pequeno Porte - Características • Empregado em locais já atendidos por energia elétrica, operando em paralelismo com a rede de eletricidade. • Objetiva gerar eletricidade para o consumo local, de forma a reduzir ou eliminar o consumo de energia da rede pública. • Potência instalada de até 1MW • Resolução 482/2012
  • 58. Inversor GridTie • O inversor GridTie funciona apenas quando está conectado a uma rede elétrica. • Possui um sistema eletrônico de controle que o transforma em uma fonte de corrente, fazendo com que a corrente injetada tenha formato senoidal e esteja sincronizada com a tensão e a frequência da rede. • Inversores empregados em pequenos sistemas geralmente são monofásicos e possuem potências de até 5 KW. • Sistemas trifásicos podem ser atendidos com inversores monofásicos em conexão trifásica.
  • 61. Introdução a Energia Solar Fotovoltaica Robson Josué Molgaro Técnico em Eletrotécnica Engenheiro de Controle e Automação III SATEC