Baixe Fabricação de Células e Painéis Solares: Do Silício Bruto à Montagem Final e outras Teses (TCC) em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity!
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Av. Amazonas, 7675, bairro Nova Gameleira, Belo Horizonte, MG-Brasil, CEP.: 30.510-000 www.cefetmg.br
Marco Andre
Estudo e implementação de um
protótipo de sistema eletrônico de
medição de curva IxV de módulos
solares
Texto explicativo banca Orientador: José Hissa Co-orientador: Patrícia Jota
Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais
Belo Horizonte
1
Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais 2013
Aos interessados em energia
solar, e a possíveis parceiros
que queiram ser fabricantes de
painéis.
Agradecimentos
Agradeço a meu orientador e co-orientadora pela paciência e orientação concisa, meus pais pelos vários tipos de suporte, agradecimento especial aos cinco laboratórios; LEACOPI por conceder o osciloscópio e uma sonda de tensão e corrente, ao CPEI por conceder o painel solar usado e o espaço físico para os testes e onde durante um ano adquiri bastante experiência na área de energia solar e onde iniciei o projeto de montar um traçador de curvas IxV sem IGBTs antes da disciplina de trabalho de conclusão de curso, ao NEAC por conceder uma sonda de tensão bem compensada ao osciloscópio em questão, ao Centro de Eficiência energética o qual cedeu o equipamento de referência mp-160 e pirânometro os quais utilizei por um ano nos ensaios feito durante o artigo sobre energia solar que apresentei em 2012 no CBENS e motivou, também, o assunto deste trabalho de conclusão de curso, e ao LPLC local onde redigi a maior parte escrita deste texto e cujo coordenador também incentivou muito a pesquisa nesta área, aos coordenadores destes laboratórios e aos amigos do CEFET-MG e a instituição de ensino.
Resumo
Este trabalho discorre sobre o funciona o processo de conversão da energia solar, como são fabricados os painéis solares, desde o tratamento do silício bruto até a montagem final do painel solar, também é tratado métodos de validação dos mesmos, assim como é implementado um sistema de validação de baixo custo baseado em artigos científicos.
Lista de Figuras
Figura 1 Equipamentos para utilização da energia solar (Anon., 2013) - 7 - Figura 2 Badas de valencia e condução em semicondutores. (Kalogirou,
- 10 - Figura 3 Eletrons e Lacunas no material semicondutor. (Kalogirou, 2009) - 11 - Figura 4 Junção P-N (Kalogirou, 2009) - 12 - Figura 5 Diagrama de bandas (Kalogirou, 2009) - 12 - Figura 6 Junção P-N (Kalogirou, 2009) - 13 - Figura 7 Irradiancia por comprimento de onda (Anon., 2013) - 14 - Figura 8 Modelo de uma celula fotovoltaica (Walker, 2000) - 15 - Figura 9 Grafico tipico IxV e de PxV (Hernday, 2012) - 16 - Figura 10 Esquemas de forno siemens. (ABINEE, 2012) - 17 - Figura 11 Lingote de silício (ABINEE, 2012) - 18 - Figura 12 Lingote de silício. (Gevorkian, 2008) - 18 - Figura 13 Diagrama do forno de purificação do silicio. (ABINEE, 2012) - 19 - Figura 14 Corte do lingote de cilicio em finas fatias atraves de fios de diamantes (Anon., 2013) - 19 - Figura 15 Resumo do processo de corte das celulas a partir do silicio puro (Anon., 2013) - 20 - Figura 16 Maquina de de corrasão acida atraves de acidos (SUNTECH,
- 20 - Figura 17 Texturização da celula efeito. (SUNTECH, 2013) - 21 - Figura 18 Forno de difusao, para criar a juncao P-N (SUNTECH, 2013) - 21 - Figura 19 Impressão da grade metalica na celula (SUNTECH, 2013) - 22 - Figura 20 Resumo dos procedimentos para produzir celula solar apartir do silicio puro (He, 2010) - 22 - Figura 21 Solda de fileiras série de celulas solares (SOLON, 2013) (SPIRE SOLAR, 2013) (SUNTECH, 2013) (RITEK, 2013) - 23 -
Figura 22 Solda das paralela da fileiras serie de celulas (SUNTECH, 2013) (SOLON, 2013) (RITEK, 2013) (BOSH, 2013) - 24 - Figura 23 Processo de laminação (SUNTECH, 2013) (SOLON, 2013) (RITEK,
- 24 - Figura 24 Laminadora de EVA chinesa e diagram de uma laminadora. (Shanghai Shenke Technology Corp,.Ltd, 2012) (He, 2010) - 25 - Figura 25 Testadores de celulas solares individuais. (SUNTECH, 2013) (SOLON, 2013) - 26 - Figura 26 Testadores de paineis solares (SUNTECH, 2013) (SOLON,
- 26 - Figura 27 Resumo da montagem de um painel fotovoltaico (He, 2010) - 27 - Figura 28 sistema operando com motor corrente continua (Gevorkian,
- 29 - Figura 29 Sistema operando isoladamente (Gevorkian, 2008) - 30 - Figura 30 Sistema isolado com gerador. (Gevorkian, 2008) - 30 - Figura 31 Sistema interligado a rede - 31 - Figura 32 Diagrama de um traçador indoor (Hernday, 2012) - 33 - Figura 33 Extração do dados via resistor variavel e datalogger, resultados usando simulacoes de matlab. (José Henrique Martins Neto, 2008) - 34 - Figura 34 Diagrama da carga capacitiva e resposta da carga capacitiva (Filho,
- 35 - Figura 35 Diagrama Traçador MP-160 e equipamento real (Silva, 2012) - 35 - Figura 36 Esquema geral do protótipo - 36 - Figura 37Circuito de controle dos IGBTs - 37 - Figura 38 Fluxograma do programa do protótipo - 37 - Figura 39 Driver de comando dos IGBTs - 38 - Figura 40 Nesta foto podemos perceber a sonda de corrente a esquerda e a direita a pequena PCI que contem um led vermelho e o sensor de efeito hall ACS712. - 39 - Figura 41 Ensaios painel descoberto, painel parcialmente coberto - 39 - Figura 42 Protótipo a esquerda, e mp-160 a direita. - 40 - Figura 43 Comparativo com painel descoberto, a curva que a corrente (eixo Y) que inicia com 6 A é a curva traçada pelo protótipo, usando a sonda de corrente - 41 - Figura 44 Comparativo com painel coberto, a curva que a corrente (eixo Y) que inicia com 1,8 A é a curva traçada pelo protótipo, usando a sonda de corrente - 41 -
Lista de Símbolos
λ: comprimento de onda f: frequência C: velocidade da luz h: constante de Plank
PIC: microntrolador da microchip
Capitulo 1 Introdução
1. Motivação
Devido à crescente demanda por energia elétrica em diversos setores
da sociedade e da conscientização da importância do conceito de
sustentabilidade, tem havido um aumento na demanda por fontes renováveis
de energia, como a energia fotovoltaica.
O processo de fabricação das células solares requer equipamentos
especializados e processos muito refinados para obter a pureza de silício
necessária, porém, com o desenvolvimento da tecnologia de fabricação de
células solares, tem ocorrido uma redução no preço das células de silício,
principalmente as células fabricadas na China.
As células solares são montadas em painéis devido (Empresa de
Pesquisa Energética,EPE, 2012) à fragilidade das células fotovoltaicas,
também susceptíveis às condições meteorológicas. Apesar dos materiais que
compõe o painel serem de tecnologia mais barata do que a das células, o
transporte dos painéis aumenta bastante o custo final, e requer uma
tecnologia moderada para ser executado.
A principal motivação deste trabalho é o desenvolvimento de uma
tecnologia barata para a validação dos painéis solares montados em
território nacional que permita uma redução de custos que possa permitir
uma maior utilização desta forma de energia.
2. Energia renovável
Figura SEQ Figura * ARABIC 1 Equipamentos para utilização da energia solar (Anon., 2013)
4. Objetivos
Pretende-se explorar as etapas envolvidas na montagem de um painel
solar, assim como também desenvolver o protótipo de um equipamento para
a medição das curvas IxV. A ferramenta deverá:
- Obter os dados das medições de tensão e corrente de um módulo, ou célula solar;
- Traçar a curva com os dados obtidos;
- Tratar os dados obtidos com auxilio computacional.
5. Organização do Texto
O presente trabalho está organizado em cinco capítulos de forma a
apresentar um estudo com foco na montagem de painéis solares e na
validação do seu desempenho, propondo métodos de medição da curva
característica de painéis solares.
O entendimento do efeito fotovoltaico requer uma breve revisão sobre
semicondutores, entendendo como as junções p-n, (Kalogirou, 2009) atuam
neste processo para melhor compreender o efeito fotoelétrico.
2.1 Materiais semicondutores
As células solares convertem a energia solar em elétrica através do
efeito fotoelétrico para que este efeito seja bem compreendido é necessário
discorrer sobre semicondutores e junções P-N.
Átomos são constituídos de núcleos e elétrons que orbitam o mesmo,
de acordo com a mecânica quântica, elétrons de um átomo isolado podem
apenas possuir níveis discretos de níveis de energia, ou níveis de energia
quantizados, os elétrons de orbitas mais interiores tem uma energia mínima
porém, requerem uma quantidade de energia grande para serem retirados
do núcleo. Quando os átomos são aproximados, o nível de energia individual
de cada átomo é alterado e estes níveis são agrupados em bandas de energia
(Kalogirou, 2009). Os elétrons desta forma, tem sua existência permitida em
apenas algumas bandas, enquanto em outras bandas sua existência é
proibida. Os elétrons mais externos ao núcleo são os únicos que podem
interagir com outros átomos, os elétrons mais externos são chamados de
elétrons de valência, também pode ser chamada de banda de valência, estes
elétrons estão ligados fracamente ao átomo e, portanto, podem se ligar mais
facilmente aos átomos de sua vizinhança deixando o átomo de origem na
forma de íon positivo. Alguns elétrons na banda de valência podem ter uma
grande energia, o que os possibilita migrar para uma banda de energia mais
alta, esta banda de energia é responsável pela condução de energia elétrica e
calor, esta banda de energia é nomeada de banda de condução, a diferença
de energia da banda de valência até a região mais interior da banda de
condução é chamada de intervalo de banda.
Figura SEQ Figura * ARABIC 2 Bandas de valencia e condução em semicondutores. (Kalogirou, 2009)
Na figura 2 temos a representação das bandas de valência para três tipos de materiais, aqueles que possuem um intervalo de banda muito alto e que a banda de condução vazia, são chamados de isolantes pois corrente não pode ser transportada pelos elétrons e que em circunstâncias normais o elétrons de valência não pode aceitar energia dado que a banda de condução é inacessível.
1. Junção p-n
Existem na natureza materiais classificados como semicondutores, que se
caracterizam por possuírem uma banda de valência totalmente preenchida
por elétrons e uma banda de condução totalmente “vazia” à temperaturas
muito baixas.
A separação entre as duas bandas de energia permitida dos semicondutores
(“gap de energia”) é da ordem de 1 eV, o que os diferencia dos isolantes onde
o gap é de vários eVs. Isto faz com que os semicondutores apresentem várias
características interessantes. Uma delas é o aumento de sua condutividade
com a temperatura, devido à excitação térmica de portadores da banda de
valência para a banda de condução. Uma propriedade fundamental para as
células fotovoltaicas é a possibilidade de fótons, na faixa do visível, com
energia superior ao gap do material, excitarem elétrons à banda de
condução. Este efeito, que pode ser observado em semicondutores puros
(Kalogirou, 2009), também chamados de intrínsecos, o que não garante por si só o funcionamento de células fotovoltaicas. Para obtê-las é necessário uma estrutura apropriada para que os elétrons excitados possam ser coletados, gerando uma corrente útil. O semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons de ligação que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao
