Células de Módulos Fotovoltaicos

1. 1

2. CÉLULAS E MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
PROF. PHD. CLODOMIRO UNSIHUAY

3. AGENDA
1. Princípios de Funcionamentos
2. Revisão dos Parâmetros Elétricos
3. Resistência Série e Paralelo
4. Associação de Células e Módulos Fotovoltaicos
5. Parâmetros Externos que Afetam as Características Elétricas
6. Células e Módulos de Silício Cristalino
7. Células e Módulos de Filmes Finos
8. Normas Para Módulos Fotovoltaicos

4. PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO
 Permite a conversão de energia luminosa para energia
elétrica
 Semelhante ao funcionamento de um diodo fotossensível
 Uso do silício dopado com fosforo (tipo N) e boro (tipo
P)

6. O EFEITO FOTOVOLTAICO
 O efeito fotovoltaico ocorre quando a luz incide em um material semicondutor
específico, como a célula fotovoltaica.
 Nela, o material semicondutor é composto por silício e recebe propriedades
dopantes que o dividem eu duas camadas: de material N e de material P.
 O material N possui um excedente de elétrons e o material P apresenta falta de
elétrons.
 Devido à diferença de concentração de elétrons nas duas camadas de materiais,
os elétrons da camada N fluem para a camada P e criam um campo
elétrico dentro de uma zona de depleção, também chamada de barreira de
potencial, no interior da estrutura da célula.

7. O EFEITO FOTOVOLTAICO
 A camada superior de material N de uma célula fotovoltaica é tão fina que a luz
pode penetrar nesse material e descarregar sua energia sobre os elétrons,
fazendo com que eles tenham energia suficiente para vencer a barreira de
potencial e movimentar-se da camada P para a camada N.
 Os elétrons em movimento são coletados pelos eletrodos metálicos da célula
fotovoltaica.
 Se houver um circuito fechado, os elétrons vão circular em direção aos
eletrodos da camada P, formando assim uma corrente elétrica.

8. https://www.youtube.com/watch?v=ncC-qGsWvAY
https://www.youtube.com/watch?v=Z5C99L0CR1E

9. REVISÃO PARÂMETROS ELÉTRICOS
1. Tensão de Circuito Aberto (Voc):Tensão nos
terminais da célula quando não há corrente elétrica
circulando. É a tensão máxima que se pode obter.
2. Corrente de Curto Circuito (Isc): Máxima corrente
que se pode obter e é medida curto-circuitando os
terminais da célula
3. Fator de Forma (FF): Razão da máxima potência da
célula com e o produto da corrente de curto circuito e a
tensão de circuito aberto.

10. REVISÃO PARÂMETROS ELÉTRICOS
Eficiência (η): é o parâmetro que define quão efetivo é o processo de conversão
de energia solar em energia elétrica. Representa a relação entre a potência elétrica
produzida pela célula fotovoltaica e a potência da energia solar incidente e pode ser
definida como segue:
onde A (m2) é a área da célula e G (W/m2) é a irradiância solar incidente.A unidade
da potência da célula e do módulo fotovoltaico é o Wp (watt-pico), que é associada
às condições-padrão de ensaio (STC)

12. EXEMPLO:
Dados: 72 Celulas se Silicio em Série.Area de cada Celula Quadrada de lado 12,5
cm. Densidade de Corrente me cada célula 32 mA/cm2 tensão de cada célula 0,46V
a 0, 48V.
Encontre: IMP, VMP, e PMP
Solução:
Area_Celula=156 cm2
IMP=32mA/cm2 * 156 cm2=4,9992=5
VMP=72(0,46 0,48]=[33,12 34,56]V
PMP=VMPxIMP=[5 *33,12 5*34,56]=[165,6 172,8] Wp

13. RESISTÊNCIA SÉRIE E PARALELO
 Resistência Série
(Rs): Se origina no
próprio material
semicondutor, nos
contatos metálicos
e na junção metal-
semicondutor.
 Resistência
Paralela (Rp): Se
origina do contato
metálico frontal e
região p e o
contato metálico
frontal e traseiro.

14. CIRCUITO EQUIVALENTE DA CÉLULAVOLTAICA

15. EFEITOS DA RESISTÊNCIA SÉRIE
 Reduz a corrente de curto circuito (Isc) e o
fator de forma (FF), mas não afeta tensão de
circuito aberto (Voc);
 Com o aumento da Rs, a curva I-V perde
característica e se reduz a uma reta cuja
inclinação é 1/Rs.

17. EFEITOS DA RESISTÊNCIA PARALELO
 Reduz tensão de circuito aberto (Voc) e fator de forma
(FF), sem influir na corrente de curto circuito (Isc);
 Causada por impurezas e defeitos na estrutura,
principalmente próximos a borda
 Produz corrente de fuga e reduzindo a corrente efetiva
do circuito.
 Para baixos valores de Rp, perde-se a característica da
curva I-V, se reduzindo a uma reta de inclinação 1/Rp.

19. EFEITOS RS E RP RESPECTIVAMENTE

20. EXEMPLO:
 Dados: Uma célula fotovoltaica. IMP= 28,57 mAVMP=0,53V, Isc=36mA
 VOC=0,614V ;A=1cm2. Em STC= Pincidente é 100 mW/cm2
 Calcule: FF, eficiência da célula na STC.
 Solução:
 FF=28,57mAx0,53W/(36mAx0,614V)= 0,685
 n=Pgerada/Pincidente= 0,685x0,614*36mA/(100mW/cm2*1cm2)=0,1514
 n=15,141%
0,1514124

21. ASSOCIAÇÃO DE CÉLULAS E MÓDULOS
FOTOVOLTAICOS
 Associação Série: É ligado o
terminal positivo de uma célula ao
terminal negativo da outra célula. Se
as células possuem corrente de
curto circuito diferentes, prevalece a
célula com a menor corrente de
curto circuito (está pratica não é
recomendada, pois pode causar
superaquecimento).

22. ASSOCIAÇÃO DE CÉLULAS E MÓDULOS
FOTOVOLTAICOS
 Associação Paralela: São
interligados os terminais positivos
das células, assim como os
negativos.

23. PARÂMETROS EXTERNOS QUE AFETAM AS
CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS
 Irradiância incidente e sua distribuição espectral;
 Temperatura de operação da célula;
 Concentrações de radiação solar (lentes ou
espelhos);
Fatores de Qualidade: custo, durabilidade, reputação do
fabricante, etc.
A eficiência não deve nortear a escolha do módulo a
não ser que a área disponível seja um fator de
restrição.

24. INFLUÊNCIA DA IRRADIÂNCIA SOLAR
 A Isc de uma célula (ou de um módulo) pode ser relacionada à irradiância
incidente pela equação:
 Isc (A) = Corrente de curto circuito do
módulo, para a irradiância G e temp. de 25°C
 Isc stc (A) = Corrente de curto circuito do
módulo nas STC (Standard Test Conditions)
 G(W/m²) = Irradiância incidente sobre o
módulo
 1000 (W/m²) = Irradiância nas STC

26. INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA
 Tensão da célula
diminui
significativamente
com aumento da
temperatura,
enquanto que a
corrente gerada
sofre uma elevação
muito pequena,
quase desprezível.

27. CÉLULAS E MÓDULOS DE SILÍCIO CRISTALINO
 As células de c-Si corresponderam a 87,9% do mercado mundial;
 Si-gE (grau eletrônico) denominada 9N com pureza de
99,9999999%. É obtido do Si-gM po um processo chamado
Siemens
 Si-g (grau solar) denominado 6M com pureza de 99,9999%. É
obtido do Si-gM po um processo chamado Siemens com rotas
alternativas.
 Si-gM (grau metalúrgico) com pureza de ~99%. É obtido a partir da
sílica (SiO2) em fornos a arco elétrico numa temperatura que
pode atingir 1780°C, utilizando como matéria prima quartzo ou
areia e o carvão.

28. ESTRUTURA DE UMA CÉLULA FOTOVOLTAICA
DE SILÍCIO CRISTALINO

29. CÉLULAS E MÓDULOS DE SILÍCIO CRISTALINO
 As principais células podem ser
dividias em 2 tipos:
1. Silício monocristalino: As células são
obtidas por corte das barras em forma
de pastilhas finas (0,2 – 0,5 mm² de
espessura). Ef = 24,2%
2. Silício policristalino: São produzidas a
partir de blocos de silício obtidos por
fusão de silício puro em moldes
especiais. Uma vez nos moldes, o silício
esfria lentamente e solidifica-se. Neste
processo, os átomos não se organizam
num único cristal. Ef = 19%

32. CÉLULAS E MÓDULOS DE SILÍCIO CRISTALINO
 Alguns fabricantes disponibilizam células
coloridas destinado à integração arquitetônica;
 As cores são obtidas por diferente composições
e espessuras na camada antirreflexiva (AR).
 A substância usada na camada AR convencional é
o SnO2, que é transparente, a cor visualizada é
resultado de m fenômeno de interferência optica
causada pela espessura e índice de refração.

34. ENCAPSULAMENTO DAS CÉLULAS
 Após soldagem, as células são
encapsuladas;
 Afim de dar proporcionar
resistência mecânica ao módulo;
 Sanduíche de vidro temperado de
alta transparência;
 EVA (acetato de etil vinila
estabilizado para radiação UV);
 Após este processo, a célula é
emoldurada.

36. CÉLULAS E MÓDULOS DE FILMES FINOS
 ~12% da produção mundial
 Células bem finas de poucos micrometros
 Menor custo de fabricação (usa menos material)
 Maior custo de instalação (cabos, esturas de fixação)
 Rígidas ou flexíveis;
 Apliações em celulares, calculadoras, relógios e etc
 Principal material utilizado é o Silicio Amorfo Hidrogenado
 Efmédia = 10%

37. CÉLULAS E MÓDULOS DE FILMES FINOS
 Celula inferior absorve a luz de cor
vermelha
 Célula intermediária absorve a luz de
cor verde
 Célula superior absorve a luz de cor
azul
 Aumentando o aproveitamento do
espectro solar

38. CÉLULAS DE FILMES FINOS COM CÁDMIO
CdTe
 Respondem por 5,5% do mercado
mundial
 Garantia de 80% da potência inicial
em 25 anos
 Ef = 14,4%
CIGS
 Células de heterojunção
 Bastante fina com camadas de cerca de 50 nm e 2000 nm
 Garantia de 80% da potência inicial em 25 anos
 Ef = 15,7%
PROBLEMAS:
 Uso do cádmio é toxico e tem restrições ambientais;
 Fontes insuficientes de telúrio para CdTe;
 Estudos tentam substituir o camada que usa cádmio

40. CÉLULAS ORGÂNICAS E DE CORANTES
 Consideradas Fotoeletroquimicas pela absorção de luz num corante;
 Baixo custo de fabricação da célula;
 Espessura 1000 vezes menor que a de silício;
 Menor preocupação quanto a inclinação do módulo devido a sua capacidade de
absorção da radiação difusa;
 Corantes orgânicos de uva, berinjela, e amora sendo estudados;
 Ef = 10%

42. CÉLULAS MULTIJUÇÃO
 Cada célula fotovoltaica tem a capacidade de absorver a luz mais eficientemente
numa determinada faixa de comprimento de onda.
 Logo, uma célula com uma única junção não é capaz de absorver a energia solar em
todo o seu espectro.
 As células multijunção, por sua vez, ao utilizar o empilhamento de duas ou mais
células fotovoltaicas, conseguem cobrir uma maior faixa do espectro de radiação
solar, aumentando a absorção de energia.
 Dessa forma, as células multijunção atingem as mais elevadas eficiências (38,8%, em
laboratório, sem concentração (NREL, 2015))
NREL. Best Research-Cell Efficiencies. Disponível em:
http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=celula-solar-
multijuncao-bate-recorde-eficiencia&id=010115160524#.V1SMQfkrLIV

44. CONCENTRAÇÃO FOTOVOLTAICA (CPV)
 A tecnologia conhecida como Concentrated Photovoltaics (CPV) consiste em
utilizar espelhos ou lentes para concentrar os raios solares sobre células
fotovoltaicas,
aumentando a eficiência da absorção da irradiação, e exigindo assim menor área de
células para produzir a mesma quantidade de energia.
 Por esse motivo, é comum utilizar células mais caras e de elevada eficiência em
conjunto com o sistema concentrador.
 Dessa forma, já foi possível atingir 46% de eficiência com uma célula multijunção em
laboratório, e módulos com mais de 36% de eficiência (FRAUNHOFER ISE, 2015b).
FRAUNHOFER ISE. Photovoltaics Report, 26 ago. 2015b.

46. https://en.wikipedia.org/wiki/Concentrator_photovoltaics

47. NORMAS PARA MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

48. http://deltavolt.pe/pv-systems/paneles-solares-oferta
http://www.panelsolarperu.com/productos/5-panel-solar-solar-land-200w-policristalino.html
http://www.mpptsolar.com/pt/melhores-marcas-de-paineis-solares.html
https://www.neosolar.com.br/loja/painel-solar-fotovoltaico-265wp-canadian-csi-cs6p-265p.html

49. EXEMPLO
 Temos 40 módulos:
 PMP=80WP
 IMP=4,73 A
 VMP=16,9V
 Isc=4,97A
 Voc=21,5
 Largura= 0,6 m
 Comprimento= 1 m
 Sabendo a tensão do Sistema 340V I máxima = 10A e Área do um lado do telhado 6,5mx 4,5m
 Solução: Ns=340/16,9= 20 módulos em série.
 Np=10/4,73=2 fileiras em serie conectados em paralelo.
 Área ocupada de um lado do telhado= 0,6*40= 24m2< 29,m2( 6,5x4,5)
 PMP=16,9*20*4,73*2=32000Wp= 3,2 kWp