Proposta de projeto: Física Experimental III
Projeto: Estudo do rendimento de uma célula solar em função do tipo de lâmpada e da faixa
de frequência que ela emite.
Grupo:
Alan Ramer dos Santos – 8626955
Brian K. R. Vasconcelos – 7161121
Fábio Muffo Cafardo – 8011549
Francisco Joailton de Lima – 5212562
Lucas Praxedes da Silva – 8540161
William Tiago Batista Malouf – 8540348
Resumo:
Este projeto pretende relacionar o rendimento de um painel solar de acordo com
características da fonte de luz que o ilumina. Desta forma, para cada fonte de luz, será
estabelecida uma relação entre características da fonte de luz e o rendimento.
Atribuições:
Se a disponibilidade de horários, instalações e equipamento possibilitar, a tomada dos dados
das lâmpadas será feita em paralelo por todos os membros do grupo, operando em duplas
encarregadas da medição de duas lâmpadas cada. Do contrário as medidas serão feitas em
série e cada dupla tentará obter o maior número de medidas possível no tempo disponível.
A mesma dupla que tomar os dados será responsável pelo tratamento preliminar dos dados
(i.e. os procedimentos que envolvem apenas dados daquele tipo de lâmpada medido).
As demais tarefas serão atribuídas conforme a disponibilidade e as competências específicas
dos membros do grupo.
Alocação de Tempo:
Estima-se que a tomada dos dados das lâmpadas possa ser concluída em 3-7 noites de
medição, dependendo do número de equipes que poderão trabalhar simultaneamente em
uma noite.
Será necessário um dia adicional para a medição envolvendo o sol, a realização dessa
dependendo das condições meteorológicas no dia em questão.
No total, é estimado que a análise dos dados possa levar até duas semanas para ser concluída,
sendo que partes dessa podem ser realizadas em paralelo com as medições.
Embora algumas partes do relatório e do pôster possam ser elaboradas paralelamente às
demais atividades, grandes porções desses dependerão dos resultados da análise de dados,
sendo assumido então que possa ser necessário até duas semanas após o término da análise
para sua conclusão.
O tempo total necessário estimado é então de 5 a 7 semanas, que se adequa razoavelmente às
datas limite propostas considerando que o projeto seja iniciado até a semana do dia 09 de
Outubro.
Objetivos e resultados esperados:
Estabelecer uma relação entre características da fonte de luz incidente sobre um painel solar
com o rendimento da célula solar. Com isso, será possível determinar qual o tipo de lâmpada
para a qual o painel solar é mais eficiente.
Introdução Teórica:
Nos sistemas fotovoltaicos a radiação é convertida em energia elétrica por intermédio dos
chamados semicondutores, geralmente feitos de silício, que são configurados em elementos
denominados células fotovoltaicas.
Uma vez que cada célula produz uma corrente contínua de intensidade relativamente fraca,
procede-se à sua associação para obter, após encapsulamento, um conjunto denominado
módulo fotovoltaica.
O agrupamento de módulos, colocados numa mesma estrutura de suporte, forma um painel.
Quando incide luz com energia suficiente sobre estas estruturas, produz-se uma corrente de
elétrica, obtendo-se assim energia elétrica.
Materiais necessários:
- painel solar
- dois multímetros
- cabos para ligar os equipamentos
- um kit de resistências com valores entre 1 Ω e 50 Ω (nem todas serão utilizadas)
- uma década de resistores
- um abajur
- dimmer para controlar a intensidade da luz do abajur
- um espectrômetro
- um fotômetro
- um termômetro digital
- termopar
- lâmpadas diversas:
- lâmpada incandescente
- lâmpada fluorescente
- lâmpada de LED
- lâmpada de LED RGB (que muda de cor)
- lâmpada de magnésio
- lâmpada de mercúrio
Descrição do experimento:
Será montado um circuito conforme exibido na Figura 1.
Enquanto a célula solar é iluminada, o multímetro V1 será usado para medir a tensão sobre o
painel solar.
Figura 1 – Circuito elétrico utilizado no
experimento.
O multímetro V2 será usado para medir a tensão sobre um resistor conhecido (será usado um
dos resistores do kit). Com esta informação, a corrente poderá ser facilmente calculada.
As medidas obtidas com ambos os multímetros serão anotadas enquanto a resistência da
década de resistores é alterada de forma que se consiga cerca de 20 pontos.
Este procedimento será repetido para diversas fontes diferentes de luz sobre a célula solar:
lâmpada incandescente, lâmpada fluorescente, lâmpada de LED, lâmpada de LED RGB,
lâmpada de magnésio, lâmpada de mercúrio e o próprio Sol .
A temperatura sobre o painel solar será medida com o termômetro digital, fazendo uso de um
termopar, a cada medida.
A intensidade de cada uma dessas fontes de luz também será medida com um fotômetro.
Utilizando-se o dimmer para alterar a intensidade da fonte de luz, o procedimento será
repetido de 2 a 5 vezes para cada fonte, utilizando-se intensidades distintas. Caso não seja
possível utilizar o dimmer, espera-se conseguir variar a intensidade afastando-se ou
aproximando-se o abajur do painel solar. No caso do Sol, intensidades diferentes tentarão ser
obtidas através da utilização de anteparos para diminuir a quantidade de luz solar incidente
sobre o painel solar.
Cada uma das lâmpadas utilizadas terá sua faixa de frequência medida pelo espectrômetro.
Caso não seja possível utilizar um espectrômetro para estas medidas, podem-se utilizar dados
dos espectros destas lâmpadas, disponíveis na literatura.
Análise dos dados:
Com os dados obtidos, será possível construir a curva característica do painel solar para cada
fonte de luz e intensidade. Estes dados podem ser usados para se obter a curva de rendimento
do painel solar em função do tipo de lâmpada.
Comparando-se uma mesma fonte de luz em intensidades diferentes, pode-se determinar de
que forma este fator se relaciona com o rendimento do painel solar. Como serão usadas várias
fontes diferentes de luz, a relação intensidade vs rendimento poderá ser obtida de forma
independente mais de uma vez e estes resultados serão comparados entre si.
O rendimento que o painel solar pode fornecer varia com a intensidade da luz incidente e com
a sua faixa de frequência. Ao conseguir medir este rendimento para uma mesma lâmpada
iluminando em intensidades diferentes, é possível estabelecer uma relação entre o
rendimento e a intensidade de cada lâmpada. A partir daí, é possível comparar lâmpadas
diferentes. Basta utilizar a relação intensidade da luz vs rendimento do painel solar para um
valor comum de intensidade em todas as lâmpadas. Desta forma, determina-se o rendimento
do painel solar quando iluminado por uma fonte com intensidade arbitrária.
Finalmente, cada fonte de luz será classificada de acordo com o seu espectro. Nos casos em
que as fontes utilizadas emitirem em vários comprimentos de onda, o comprimento de onda
em que a fonte emitir de forma mais proeminente será considerado. Assim, os valores obtidos
poderão ser comparados entre si de acordo com o comprimento de onda da luz incidente.
O grupo não está seguro de que conseguirá fazer as medidas do espectro das fontes de luz.
Especialmente para aquelas que emitem em espectro contínuo. Uma opção é, como já foi dito,
considerar dados obtidos na literatura.
As medidas de temperatura serão feitas, à princípio, apenas como informação adicional. Estes
dados serão utilizados somente se o grupo identificar alguma relação entre a temperatura
sobre o painel solar e o rendimento do mesmo.