Curso | Energia Solar Fotovoltaica: Fundamentos e Aplicações, Resumos de Física

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Conhecimento e soluções em energia fotovoltaica

Curso | Energia Solar Fotovoltaica: Fundamentos e Aplicações

Fundamentos e Aplicações Energia Solar Fotovoltaica:

Bem vindos ao Curso "Energia Solar Fotovoltaica: Fundamentos e Aplicações", da

Elektsolar.

Como o nome do curso indica, vamos apresentar os fundamentos da tecnologia

fotovoltaica, que permite gerar eletricidade diretamente a partir da radiação vinda do Sol,

ç p e suas aplicações nos sistemas fotovoltaicos.

técnicos, construtores, engenheiros, (arquitetos, geral em público ao Destinado

eletricistas e pessoas interessadas), apresenta de forma concisa e clara os fundamentos

suas da tecnologia fotovoltaica e os tipos de sistemas fotovoltaicos da energia solarda energia solar, da tecnologia fotovoltaica e os tipos de sistemas fotovoltaicos, suas

características e aplicações.

Dentre os vários tipos de sistemas fotovoltaicos, o de maior interesse no Brasil

(SFVCR), devido à Resolução sistema fotovoltaico conectado à rede atualmente é o

Normativa ANEEL 482 de 17 de abril de 2012 e às subsequentes normas de acesso das

p ç g p concessionárias distribuidoras de eletricidade. A partir dessas regulamentações pode-se

instalar um sistema fotovoltaico conectado à rede em residências, prédios, escolas,

supermercados e outras edificações e gerar energia elétrica para o consumo próprio.

Este é o foco do nosso primeiro curso: conhecer os fundamentos da tecnologia e aEste é o foco do nosso primeiro curso: conhecer os fundamentos da tecnologia e a

aplicação para a geração de energia elétrica em edificações.

Vi j TTrajano Viana

Elektsolar

www.elektsolar.com.br

Fundamentos e Aplicações Energia Solar Fotovoltaica:

8:00 - 10:

Introdução - Energia solar: Conceitos e unidades de medida - Potencial brasileiro

de energia solar - Mapas de irradiação do Brasil

Intervalo 10:00 - 10:

10:15 - 12:

Geração de energia elétrica a partir do Sol - Tecnologia fotovoltaica: tipos de

módulos, características e aplicações.

Intervalo 12:00 - 13:

13:00 - 15:

Tipos de sistemas fotovoltaicos: características e aplicações - Sistemas

fotovoltaicos conectados à rede (SFVCR), integrados a edificações.fotovoltaicos conectados à rede (SFVCR), integrados a edificações.

Intervalo 15:00 - 15:

15:15 - 17:

Panorama mundial das instalações fotovoltaicas - Potencial, regulamentação e

perspectivas para o Brasil

ADVERTÊNCIA

perspectivas para o Brasil

ADVERTÊNCIA

componentes peças, de características e dados modelos, marcas, as Todas

elétricos, eletrônicos e fotovoltaicos, mencionadas neste texto, são propriedade de seus

titulares e são apresentadas apenas para fins didáticos e de exemplos.titulares e são apresentadas apenas para fins didáticos e de exemplos.

de objetivo o tem não texto neste presente modelos e marcas a menção Qualquer

recomendar ou indicar tais marcas e modelos para aquisição ou uso, pois são apresentadas

apenas para fins didáticos e de exemplos.

As figuras apresentadas são de propriedade dos titulares citados ou do autor.

2 - ENERGIA

o termo "energia" é atribuído ao cientista inglês Thomas Young ENERGIA - ƒ

que o utilizou pela primeira vez em 1807 com o significado atual:

. capacidade de realizar um trabalho Æ Energia

comocomo natureza,natureza, nana existentesexistentes energiaenergia dede fluxosfluxos - RENOVÁVEIS ENERGIASENERGIAS RENOVÁVEIS ƒ

o vento, a radiação do Sol ou o fluxo da água dos rios, os quais a própria

natureza mantém e renova de forma constante e sustentada.

Classificações FONTES DE ENERGIA - ƒ

Primárias ™

Secundárias ™

• Sujas - Não sustentáveis • Não renováveis
• Limpas - Sustentáveis • Renováveis

Convencionais• Convencionais

• Alternativas

limpa e sustentável renovável , renovável, sustentável e limpa.primáriaprimária energiaenergia dede fontefonte - SOLAR ENERGIAENERGIA SOLAR ƒ

Atualmente é considerada como fonte alternativa.

5

3 - NECESSIDADE DE ENERGIA

calor Æ Energia térmica movimento Æ Energia mecânica

Energia elétrica

calor Æ térmica Æ Energia elétrica Energia elétrica

calor Æ térmica Æ Energia elétrica

Figuras: Google Images

4 - FUNDAMENTOS DA ENERGIA SOLAR

forma de transferência de energia advinda do Sol através Æ Radiação solar ƒ

da propagação de ondas eletromagnéticas.

albedo difusa e devida ao , difusa e devida ao albedo.diretadireta ÆÆ da radiação solar Componentes da radiação solarComponentes ƒ

recebida em uma superfície plana horizontal, Æ Radiação global (horizontal) ƒ

com as componentes direta e difusa.

recebida em uma superfície plana com Æ Radiação total (inclinada) ƒ

inclinação qualquer, com as componentes direta, difusa e devida ao albedo.

Radiação Solar

Componentes

t Di- Direta

**- Difusa

• de Albedo**

Irradiação Irradiância

7

© Trajano Viana

Espectro Solar ƒ

luz visível (UV); ultravioleta • A radiação solar apresenta três grandes faixas:

, conforme mostra o gráfico do espectro solar. infravermelho e

d

iação

Infravermelho UV

Luz

Visível

ativa

da

rad

nsidade

rela

nm)( onda de Comprimento

Inten

• Sob o ponto de vista prático, para aproveitamento da energia solar, as faixas

(calor) infravermelho (fótons) e luz de maior interesse são:

) ( p

(calor). infravermelho (fótons) e luz de maior interesse são:

Potencial energético do Sol ƒ

Três semanas de energia solar, recebida na Terra, equivale à energia de Î

todas as reservas de combustíveis fósseis conhecidas.

5 - CAPTAÇÃO DA ENERGIA SOLAR

O posicionamento de uma superfície, para captar energia solar, deve atender ƒ

aos requisitos de orientação, inclinação e de sombreamento.

O Sol apresenta trajetórias aparentes no céu, que se deslocam ao longo do ƒ

ano e determinam a orientação e a inclinação da superfície coletora.

21 de dezembro

a superfície deve estar voltada para o equador: Æ Orientação ƒ

Norte Æ Hemisfério Sul •

Sul Æ • Hemisfério Norte

depende do objetivo: Æ Inclinação ƒ

• maior captação no verão

Sul

Oeste

21 d

ç p

• maior captação no inverno

captação máxima durante o ano. •

de 21

junho obstáculos, Æ Sombreamento ƒ

como árvores, postes ou edificações

podem ocasionar sombreamento da

Norte

Leste

da sombreamento ocasionar podem

superfície em determinados períodos

do dia/ano, reduzindo a captação.

Leste

deverá ser evitado. O sombreamento

11

6 - APROVEITAMENTO DA ENERGIA SOLAR

geração de ou para aquecimento A radiação solar pode ser aproveitada para

. eletricidade

água de Aquecimento .1 - Aquecimento de água 6 1 6

aquecimento da água Æ coletores solar térmico Æ Calor Æ

aquecimento de água em residências hotéis hospitaisaquecimento de água em residências, hotéis, hospitais, ÆÆ Baixa temperaturaBaixa temperatura ÆÆ

clubes, piscinas, etc.

6.2 - Geração indireta de energia elétrica

Æ vapor Æ aquecimento de água Æ concentrador solar térmico Æ Calor Æ

energia elétrica Æ gerador Æ turbina Æ

bi d á i d d produção de vapor para movimentar as pás da turbina ÆÆ AlAlta temperatura ÆÆ

que aciona o gerador elétrico.

13

Figuras: Google Images

6.2a - Geração indireta de energia elétrica

calha parabólica / disco parabólico Æ concentrador solar térmico Æ Calor Æ

Alta temperatura Æ

Calha

Disco

Parabólico

Calha

Parabólica

Figuras: Google Images

Parabólicas Calhas com Planta

1990 ‐ 1984 ‐ Ltd. International Luz

MWe 80 a MWe 15 Æ MW 354

6.3b - Geração direta de energia elétrica

Æ efeito fotovoltaico Æ módulo fotovoltaico com concentrador Æ Luz Æ

V tensão elétrica contínua ( Æ

CC

VV ÆÆ célula FVcélula FV ÆÆ concentraçãoconcentração ÆÆ elemento ópticoelemento óptico ÆÆ LuzLuz ÆÆ

CC

d t CConcentrador

com lente de

Fresnel

Concentrador

parabólico

Figuras: Google Images

17

Planta fotovoltaica – Sistemas com concentrador

• Grandezas - Unidades - Medição 7 - ENERGIA SOLAR

RADIAÇÃO SOLAR

Integrada Instantânea

(Potência/m

2

(Energia/m )

2

W/m( Irradiância

2

Wh/m( Irradiação )

2

Medidor da irradiância

Unidades usuais

W/m Æ Irradiância

2

kW/m

2

Wh/m Æ Irradiação

2

/dia

kWh/m

2

/dia

Piranômetro

/dia kWh/m

kWh/m

2

/ano

19

Irradiância solar (G) 7.1 -

á d id d fí i id i l ã di l axa na qual a radiação solar incide em uma superfície, por unidade de áreaTT ÆÆ

desta superfície.

W/m Normalmente medida em watt por metro quadrado ( Æ

2

..)) W/m ( quadrado metro por watt em medida ormalmenteN Æ

Energia?Energia?

Wh/m

2

IRRADIAÇÃOIRRADIAÇÃO

H

HOR

H - Horizontal

TOT

- Inclinada

6.746 Wh/m

2

5.931 Wh/m

2

8.1 - MAPA DE IRRADIAÇÃO GLOBAL HORIZONTAL

Superfície horizontal

Irradiação GlobalIrradiação Global

Horizontal

H

HOR

2200 kWh/m

2

ano

2100 kWh/m

2

/ano

1900 kWh/m

2

/ano

• Solar Energy 85, 2011 et al Fonte: VIANA

23

8.2 - MAPA DE IRRADIAÇÃO TOTAL INCLINADA

Superfície inclinada

Irradiação TotalIrradiação Total

Inclinada

H

TOT

2300 kWh/m

2

ano

Observar o efeito no valor da

2200 kWh/m

2

/ano

irradiação ao inclinar a

superfície.

Inclinação igual à latitude do local

2100 kWh/m

2

/ano

• Solar Energy 85, 2011 et al Fonte: VIANA

Capitais brasileiras Æ 8.3 - DADOS DE IRRADIAÇÃO SOLAR

Capital

Coordenadas

Irradiação Total Inclinada

(kWh/m

2

/dia)

Longitude Latitude

5,36 -60,61 +3,30 Boa Vista

5,35 -51,08 +0,07 Macapá

Irradiação total – H -

TOT

Especificada para superfície

captadora com inclinação igual

5,35 5 ,08 0,0 acapá

5,25 -47,93 -1,45 Belém

5,52 44,33 -2,51 São Luis

5,15 -60,07 -3,07 Manaus

5 61 38 56 3 77 Fortaleza

captadora com inclinação igual

à latitude do local.

5,61 -38,56 -3,77 Fortaleza

5,73 -42,77 -5,07 Teresina

5,43 -35,26 -5,77 Natal

5,35 -34,85 -7,12 João Pessoa

Inclinação = 27º Æ Florianópolis -

H

TOT

= 4,92 kWh/m

2

/dia

1 795 kWh/ H

2

5,27 -34,89 -8,07 Recife

5,23 -63,95 -8,75 Porto Velho

5,39 -35,90 -9,67 Maceió

5,30 -67,82 -9,95 Rio Branco

H

TOT

= 1.795 kWh/m

2

/ano

Inclinação = ......º Æ - Goiânia

5,59 -48,29 -10,18 Palmas

5,27 -38,30 -10,92 Aracaju

5,37 -38,46 -12,93 Salvador

5,65 -55,91 -15,56 Cuiabá

ç

H

TOT

= ......... kWh/m

2

/dia

H

TOT

= ........... kWh/m

2

/ano

5,65 55,91 15,56 Cuiabá

5,81 -46,26 -15,78 Brasília

5,91 -49,17 -16,68 Goiânia

5,74 -43,92 -19,80 Belo Horizonte

5 13 40 34 20 27 Vitória

Inclin. = ......º Æ - Porto Alegre

H

TOT

kWh/m =

2

/dia

5,13 -40,34 -20,27 Vitória

5,63 -57,91 -21,57 Campo Grande

5,16 -43,22 -22,88 Rio de Janeiro

5,17 -46,41 -23,51 São Paulo

H

TOT

......... kWh/m /dia

H

TOT

= ........... kWh/m

2

/ano

4,97 -49,18 -25,42 Curitiba

4,92 -49,49 -27,59 Florianópolis

Fonte de dados: Atlas Brasileiro de Energia Solar (INPE, 2006) 5,11 -51,14 -30,07 Porto Alegre

25

8.6 - TRABALHANDO COM DADOS DE IRRADIAÇÃO SOLAR

dede ângulosângulos diferentesdiferentes parapara irradiaçãoirradiação aa alcularalcularcc PermitePermite ÆÆ Programa RADIASOLPrograma RADIASOL ƒƒ

, a partir dos valores de irradiação global horizontal. desvio azimutal e de inclinação

29

tili d l i i l t Alt

TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA

• Alta tecnologia, mas simples de utilizar
• Não poluente e fonte renovável

Não produz ruído• Não produz ruído

• Baixa manutenção
• Operação desassistida
• Instalações desde baixa potência,

da ordem de W, até MW

Altamente confiável

Foto: Trajano Viana

• Altamente confiável

uso em satélites Æ

• Característica modular

o sistema pode ser ampliado Æ

http://www.popsci.com/aviation-amp-space/gallery/2011-06/first-ever-photos-space-shuttle- conforme a necessidade.

docked-space-station?image=

31

1 - TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA

É

Efeito Fotoelétrico

É caracterizado pela emissão de elétrons para •

EE

fótonfóton

= h.f= h.f

1.1 - EFEITO FOTOELÉTRICO X FOTOVOLTAICO

para elétrons de emissão pela caracterizado É •

fora da superfície de um material quando este é

exposto à luz.

da energia a se ejetados serão Elétrons •

é i t t fi i f ã di

EE

fótonfóton

h.fh.f

radiação for suficiente, isto é:

E

fóton

= h.f > E

material

No caso do potássio, E

material

= 2 eV

i l t t d t lét OOs elétrons tendem a retornar ao material. •

Efeito Fotovoltaico

uma de g surgimento pelop caracterizado É •

diferença de potencial (ddp) entre os terminais

de um dispositivo semicondutor quando este é

exposto à luz.

parespares dede formaçãoformação àà devidodevido surgesurge ddpddp AA • •

elétron-lacuna dentro do material. Os elétrons

N material o para movidos são fotogerados

(terminal -) e as lacunas em direção ao material

Material

-

ddp

+

Material

tipo N

P (terminal +).

afastados mantidos são lacunas e Elétrons •

no existente potencial de barreira à devido

Os elétrons podem interior do dispositivo (V )

P tipo +

(V dispositivo do interior

B

). Os elétrons podem

circular pelo circuito externo (corrente elétrica) e

recombinar com as lacunas.

(p-Si e m-Si) 1.4 - DO SILÍCIO À CÉLULA FOTOVOLTAICA

35

1.5 - TECNOLOGIA DA CÉLULA DE SILÍCIO

que materiais semicondutores é composta por Célula Fotovoltaica - ƒ

formam uma junção PN. A radiação solar ao incidir na célula faz surgir uma

V tensão elétrica entre os terminais da mesma (

AB

AB

• Um dispositivo ligado entre os terminais

A

Corrente elétrica

da célula será percorrido por uma

corrente elétrica (elétrons fotogerados).

B

Potência (W), Energia elétrica (Wh)

Energia

Solar

tensão contínua (V

CC

corrente contínua (I

CC

Célula fotovoltaica

produzida no

CB-SOLAR

PUC RS

Foto: Trajano Viana

Foto: Trajano Viana

PUC-RS

36

1.6 - MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Módulos de silício cristalino ƒ

• Silício policristalino (p-Si)

Silício monocristalino (m Si)- Silício monocristalino (m-Si)

/i b l ji h www.shreebalajienergy.com/images

Fonte: Google Images

www.weiku.com

37

de silício cristalino Estrutura típica de um módulo fotovoltaico ƒ

Células

Fotovoltaicas

Moldura de alumínio

Vidro temperado

Fotovoltaicas

Vidro temperado

Lâmina encapsulante (EVA*)

Células ligadas em série

Lâmina encapsulante (EVA)*Lâmina encapsulante (EVA)

Lâmina traseira (Tedlar)**

) Acetate Vinyl Ethylene * EVA - acetato de etileno-vinil (

Caixa de Junção

Fonte: Centrotherm

) Acetate Vinyl Ethylene EVA - acetato de etileno-vinil (

** Tedlar - marca registrada para o fluoreto de polivinil (PVF)

A durabilidade das células e do módulo está associada ao encapsulamento, pois não há ƒ

desgaste das partes ativas no ambiente terrestre.

A vida útil dos módulos fotovoltaicos está na faixa de 25 a 30 anos. ƒ