18/12/2013
Minicurso
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Prof. Dr. João Ferreira
Prof. Dr. Kleber Oliveira
Introdução à energia
solar fotovoltaica
Prof. Dr. Kleber Oliveira
1
18/12/2013
Introdução à energia solar
fotovoltaica
• O sol é a principal fonte de energia do nosso
planeta. A superfície da Terra recebe
anualmente uma quantidade de energia solar,
nas formas de luz e calor, suficiente para
suprir milhares de vezes as necessidades
mundiais durante o mesmo período.
Introdução à energia solar
fotovoltaica
• O Sol fornece anualmente para a atmosfera
terrestre 1,5x1018 kWh de energia radiante.
Trata-se de um valor correspondente a 10.000
vezes o consumo mundial no mesmo período.
2
18/12/2013
Introdução à energia solar
fotovoltaica
• Apenas uma pequena parcela dessa energia é
aproveitada, mesmo assim, com poucas
exceções, praticamente toda a energia usada
pelo ser humano tem origem no sol.
Introdução à energia solar
fotovoltaica
• Mesmo com os rendimentos relativamente
baixos dos sistemas fotovoltaicos comerciais
(8 a 20%), se este recurso tivesse um uso
generalizado ou seja se estivesse aproveitado
em 0,1% da superfície da terra, ainda seria
suficiente para suprir as necessidades
energéticas da humanidade atual.
3
18/12/2013
Energia Solar Fotovoltaica
• A energia fotovoltaica é uma fonte de energia
renovável, limpa e, principalmente, é de
“graça” !
Energias renováveis
O que são fontes renováveis de energia ?
• São aquelas consideradas inesgotáveis para os
padrões humanos de utilização. Pode-se
utilizá-las continuamente e nunca se acabam,
pois sempre se renovam.
4
18/12/2013
Energias renováveis
• Um exemplo são as fontes de energia solar,
aproveitada diretamente para o aquecimento
ou geração de eletricidade, hidroelétrica,
eólica, oceânica, geotérmica e da biomassa.
Energia limpa
O que é energia limpa ?
• O
conceito
de
energia
limpa
é
frequentemente
associado
às
fontes
renováveis, pois em comparação com os
combustíveis fósseis apresentam reduzidos
impactos ambientais e praticamente não
originam resíduos ou emissões de poluentes.
5
18/12/2013
Energia Solar Fotovoltaica
• A energia do sol pode ser utilizada para
produzir eletricidade pelo efeito fotovoltaico,
que consiste na conversão direta da luz solar
em energia elétrica.
Energia Solar Fotovoltaica
• Diferentemente dos sistemas solares térmicos,
que
são
empregados
para
realizar
aquecimento ou para produzir eletricidade a
partir da energia térmica do Sol, os sistemas
fotovoltaicos captam diretamente a energia
do sol e produz corrente elétrica.
6
18/12/2013
Evolução
• Instalações fotovoltaicas no mundo
Fonte: EPIA •
GLOBAL MARKET
OUTLOOK FOR
PHOTOVOLTAICS
Evolução
• Capacidade instalada acumulada mundial
Fonte: EPIA •
GLOBAL MARKET
OUTLOOK FOR
PHOTOVOLTAICS
7
18/12/2013
Mapa global da potência
fotovoltaica (MW)
• Cenário 2011
Fonte: EPIA • GLOBAL MARKET OUTLOOK FOR
PHOTOVOLTAICS 2013-2017
Mapa global da potência
fotovoltaica (MW)
• Cenário 2012
Fonte: EPIA • GLOBAL MARKET OUTLOOK FOR
PHOTOVOLTAICS 2013-2017
8
18/12/2013
Aumento da energia
solar no mundo
Aumento da
oportunidade
em FV
Atratividade da Energia
Fotovoltaica por país
Alta
Baixa
Atração de investimento do país
Alto
A energia solar compensa
• Pesquisas
9
18/12/2013
A energia solar compensa
• Fabricação
A energia solar compensa
• Projeto e instalação
10
18/12/2013
A energia solar compensa
• Consumidor final
A energia solar fotovoltaica
no Brasil
• Sistemas isolados ou autônomos
– Eletrificação rurais;
– Comunidades isoladas;
– Bombeamento de água;
– Centrais remotas de telecomunicações;
– Sistemas de sinalização.
11
18/12/2013
Potencial de utilização
• A maior parte do território brasileiro é
localizados no trópico com elevadas taxas de
irradiação solar em todas as regiões.
Potencial de utilização
• As regiões NE e CO são as que possuem o
maior potencial de aproveitamento da energia
solar.
12
18/12/2013
Radiação solar global diária
• Média anual (MJ/m2.dia)
Atlas solarimétrico do
Brasil, 2000
Insolação Diária
• Média Anual (horas)
Atlas solarimétrico do
Brasil, 2000
13
18/12/2013
Potencial de utilização
• Atualmente, a Alemanha é o país que mais
utiliza a energia solar fotovoltaica.
Resto do mundo (11%)
Austrália (2%)
República Checa (3%)
Bélgica (3%)
Alemanha (36%)
França (4%)
China (4%)
EUA (6%)
Espanha (6%)
Itália (18%)
Japão (7%)
Quota de capacidade instalada
acumulada Mundial 2011 (MW;%)
Fonte: EPIA • GLOBAL MARKET OUTLOOK FOR
PHOTOVOLTAICS 2013-2017
Usinas Fotovoltaicas
no Brasil
• A MPX Tauá é a primeira usina solar
fotovoltaica a gerar eletricidade em escala
comercial no Brasil.
• Inaugurada em agosto de 2011, a usina está
localizada no município de Tauá, no sertão do
Ceará, e tem capacidade inicial de geração de
1 MW.
14
18/12/2013
Usinas Fotovoltaicas
no Brasil
Estádio Mineirão
• A USF Mineirão tem uma potência instalada
de 1,42 MWp, com cerca de 6.000 módulos
fotovoltaicos, sendo que toda a energia
gerada será injetada na rede de distribuição
da Cemig.
Usinas Fotovoltaicas
no Brasil
• O Rio Grande do Norte vai receber uma das
maiores usinas fotovoltaicas do Brasil numa
parceria da Petrobras com a SunEdison,
empresa líder mundial de energia solar.
• Capacidade de geração: 1,1 MW e será
construída em Alto do Rodrigues.
15
18/12/2013
Usinas Fotovoltaicas
no Brasil
Parque Fotovoltaico de Olmedilla, La Mancha,
Espanha.
• Finalizada em 2008, Olmedilla é a maior usina
fotovoltaica do mundo, utilizando 270 mil
painéis fotovoltaicos.
• Capacidade de geração: 60 MW
Usinas Fotovoltaicas
no Mundo
Parque Fotovoltaico de Olmedilla, La Mancha,
Espanha.
16
18/12/2013
Usinas Fotovoltaicas
no Mundo
Parque Solar de Strasskirchen, Strasskirchen,
Alemanha.
• Inaugurada em 2009, seu parque possui cerca
de 25 mil módulos e estão espalhados em
uma área equivalente a 270 campos de
futebol.
• Capacidade de geração: 54 MW
Usinas Fotovoltaicas
no Mundo
Parque Solar de Strasskirchen, Strasskirchen,
Alemanha.
17
18/12/2013
Usinas Fotovoltaicas
no Mundo
Parque
Fotovoltaico
de
Lieberose,
Brandenburgo, Alemanha.
• Construída em 2009 no local de uma antiga
área de treinamento militar, a fazenda solar de
Lieberose é a segunda maior da Alemanha,
ocupando mais de 163 hectares.
• Capacidade de geração: 53 MW
Usinas Fotovoltaicas
no Mundo
Parque
Fotovoltaico
Brandenburgo, Alemanha.
de
Lieberose,
18
18/12/2013
Usinas Fotovoltaicas
no Mundo
Parque Fotovoltaico Puertollano, Castilha,
Espanha.
• A usina de energia solar de Puertollano utiliza
231.653 painéis solares fotovoltaicos.
• Capacidade de geração: 48 MW
Usinas Fotovoltaicas
no Mundo
Parque Fotovoltaico Puertollano, Castilha,
Espanha.
19
18/12/2013
Usinas Fotovoltaicas
no Mundo
Central Solar Fotovoltaica de Moura,
Amareleja, Portugal.
• A central já produz eletricidade suficiente para
o consumo elétrico anual de 15 mil europeus.
• Capacidade de geração: 46 MW
Usinas Fotovoltaicas
no Mundo
Central Solar Fotovoltaica
Amareleja, Portugal.
de
Moura,
20
18/12/2013
Sistemas BIPV
• A sigla BIPV (energia fotovoltaica Edifício
integrado, do inglês Building Integrated
Photovoltaics) se refere a sistemas e conceitos
em que a energia fotovoltaica, tendo a função
de produção de eletricidade, também
assumem o papel de elemento de construção.
Sistemas BIPV
• Prédios com o sistema BIPV
21
18/12/2013
Sistemas BIPV
• Módulo BIPV
Sistemas BIPV
• Sistema BIPV no novo prédio do CEAR
• 1º sistema BIPV do Norte-Nordeste do Brasil
22
18/12/2013
Obstáculos
• Valorizada nos países mais desenvolvidos, a
energia fotovoltaica ficou esquecida durante
muitos anos no Brasil.
• Atualmente a participação da energia
fotovoltaica no Brasil é, praticamente,
desprezível.
Fontes de energia renovável
no Brasil
• Capacidade instalada de geração elétrica por
tipo de usina (MW)
Participação em 2012
Fonte: Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL); para o
ano de 2012, Balanço Energético Nacional (BEN) 2013;
Elaboração: EPE
23
18/12/2013
Obstáculos
• O custo da eletricidade gerada por sistemas
fotovoltaicos
são
elevados
quando
comparados com a energia das hidroelétricas.
• Falta de incentivos governamentais.
• Contudo, para micro e mini usinas
fotovoltaicas esses obstáculos, praticamente,
não existe.
• Até o inicio de 2012 não havia
regulamentação e normas técnicas para o
setor fotovoltaico.
Normas e Regulamentações
Resolução nº 482 da ANEEL.
• Em linhas gerais, a resolução estabelece as
condições para o acesso de microgeração
(≤100kW) e minigeração (>100kW e ≤
1.000kW) distribuída aos sistemas de
distribuição de energia elétrica.
• Cria o sistema de compensação de créditos de
energia elétrica para autoprodutores de
energia.
24
18/12/2013
Custo
• O custo da energia fotovoltaica deverá cair,
aproximadamente, 45% até 2018, apontam
estudos do Ministério de Minas e Energia
(MME).
• Essa redução contribuiria para que a energia
solar participasse de forma competitiva dos
leilões de eletricidade dentro de alguns anos.
SISTEMA FOTOVOLTAICO
PROJETO, INSTALAÇÃO E OPERAÇÃO
ANÁLISE DO RECURSO SOLAR
PROF. DR. JOÃO MARCELO DIAS FERREIRA
25
18/12/2013
AGENDA
• Motivação
• Radiação solar
• Recurso solar
Motivação
RADIAÇÃO SOLAR GLOBAL
26
18/12/2013
Motivação
POTENCIAL FOTOVOLTAICO DO BRASIL
Motivação
POTENCIAL FOTOVOLTAICO DO BRASIL
12%
ALEMANHA
MPX TAUÁ
67%
27
18/12/2013
Radiação Solar
BALANÇO DE ENERGIA
DA ENERGIA SOLAR INCIDENTE:
6% é refletida pela atmosfera;
20% é refletida pelas nuvens;
4% é refletida na superfície da terra;
16% é absorvida pela atmosfera;
3% é absorvida pelas nuvens;
51% é absorvida por terras e oceanos.
NO BALANÇO DE ENERGIA:
64% é irradiado para o espaço pelas
nuvens e pela atmosfera;
6% é irradiado diretamente da terra
para o espaço.
Radiação Solar
MASSA DE AR (AIR MASS - AM)
AS CARACTERÍSTICAS DA RADIAÇÃO SOLAR QUE CHEGA AO SOLO DEPENDEM DA
ESPESSURA DA CAMADA DE AR E DA COMPOSIÇÃO DA ATMOSFERA (AR, VAPOR DE
ÁGUA E POEIRA).
AM =
1
cosθ
28
18/12/2013
Radiação Solar
ESPECTRO
ELETROMAGNÉTICO
Radiação Solar
GEOMETRIA DO SOL
29
18/12/2013
Radiação Solar
GEOMETRIA DO SOL
ÂNGULO DE ELEVAÇÃO: ALTURA
ANGULAR DO SOL EM RELAÇÃO
AO PLANO HORIZONTAL.
ÂNGULO AZIMUTAL OU AZIMUTE:
ÂNGULO FORMADO PELA
PROJEÇÃO HORIZONTAL DO VETOR
DA POSIÇÃO DO SOL EM RELAÇÃO
AO VETOR DO NORTE GEOGRÁFICO.
Radiação Solar
Radiação
Direta
TIPOS DE RADIAÇÃO
Radiação Difusa
RADIAÇÃO DIRETA NORMAL (DNI)
RADIAÇÃO GLOBAL HORIZONTAL (GHI)
RADIAÇÃO DIFUSA HORIZONTAL (DHI)
DIA DE CÉU CLARO
Radiação
Global
DIA DE CÉU NUBLADO
Direta
Global
Direta
Global
Difusa
Difusa
30
18/12/2013
Radiação Solar
TIPOS DE RADIAÇÃO
RADIAÇÃO GLOBAL = RADIAÇÃO DIRETA * COS (θ) + RADIAÇÃO DIFUSA
θ = ÂNGULO FORMADO PELOS RAIOS DO SOL
EM RELAÇÃO AO PLANO NORMAL DE INCIDÊNCIA
18 PONTOS
8 PONTOS
Radiação Solar
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIÇÃO
31
18/12/2013
Radiação Solar
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIÇÃO
PIRANÔMETRO: MEDIDA DA RADIAÇÃO GLOBAL (HORIZONTAL OU PLANO INCLINADO)
MEDIDA DA RADIAÇÃO DIFUSA (COM USO DE SOMBREADOR ESFÉRICO)
PIRELIÔMETRO: MEDIDA DA RADIAÇÃO DIRETA (COM O USO DE UM RASTREADOR DO SOL)
Radiação Direta Normal
Radiação Global
Radiação Difusa
Radiação Solar
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIÇÃO
COMPLEMENTAR
PIRGEÔMETRO: MEDIDA DA RADIAÇÃO GLOBAL INFRAVERMELHA
(HORIZONTAL OU PLANO INCLINADO)
ALBEDÔMETRO: MEDIDA DA RADIAÇÃO REFLETIDA NO SOLO
Radiação Global (Infravermelho)
Radiação Refletida no solo
32
18/12/2013
Radiação Solar
INSTRUMENTAÇÃO E MEDIÇÃO
ACESSÓRIA
Radiação Solar
MOVIMENTOS DA TERRA
33
18/12/2013
Radiação Solar
MOVIMENTOS DA TERRA
Radiação Solar
SOLSTÍCIOS
EQUINÓCIOS
MOVIMENTOS DA TERRA
34
18/12/2013
Recurso Solar
CARTA SOLAR – CAMINHO DO SOL
Carta Solar: latitude 40°° N
69
Recurso Solar
CARTA SOLAR – JOÃO PESSOA/PB
35
18/12/2013
Recurso Solar
CAMINHO DO SOL – RECIFE/PE
Recurso Solar
POSIÇÃO DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
Orientação (Azimute) e ângulo de
inclinação (Tilt Angle)
72
36
18/12/2013
Recurso Solar
POSIÇÃO DOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
O máximo desempenho é obtido
quando os módulos estão
perpendiculares aos raios do sol
INVERNO
VERÃO
ANUAL
Inclinação anual = latitude
Inverno = latitude + 15 graus
Verão = latitude – 15 graus
73
Recurso Solar
POSIÇÃO DOS MÓDULOS
FOTOVOLTAICOS
37
18/12/2013
Recurso Solar
POSIÇÃO DOS MÓDULOS
FOTOVOLTAICOS
Recurso Solar
MÓDULOS SOLARES FIXOS
76
38
18/12/2013
Recurso Solar
MÓDULOS COM SEGUIDOR DE EIXO ÚNICO
77
Recurso Solar
MÓDULOS COM SEGUIDOR DE EIXO DUPLO
78
39
18/12/2013
OBRIGADO PELA ATENÇÃO
Prof. João Ferreira
[email protected]
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
PROJETO, INSTALAÇÃO E OPERAÇÃO
CONVERSÃO FOTOVOLTAICA
– FUNDAMENTOS E TECNOLOGIA –
PROF. DR. JOÃO MARCELO DIAS FERREIRA
40
18/12/2013
AGENDA
• Efeito fotoelétrico e efeito fotovoltaico
• Eficiência de conversão fotovoltaica
• Célula solar fotovoltaica
• Tecnologia de conversão fotovoltaica
• Processo de fabricação de células fotovoltaicas
Conversão Fotovoltaica
EFEITO FOTOELÉTRICO
O efeito fotoelétrico ocorre em materiais metálicos e não metálicos sólidos,
líquidos ou gasosos. Ele ocasiona a remoção de elétrons do material, mas não é
capaz de criar uma tensão elétrica (ou corrente elétrica) neste material.
Na absorção de um fóton, cuja energia é maior ou igual à energia da banda
proibida (Eg) do material, um par elétron-lacuna é criado.
82
41
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
EFEITO FOTOVOLTAICO
O efeito fotovoltaico é representado pela criação de uma tensão ou corrente
elétrica em um material em função de sua exposição à radiação eletromagnética.
Elétrons excitados para a banda de condução, pelo princípio do efeito fotoelétrico,
se difundem dentro do material e parte destes alcançam a junção p-n onde eles são
acelerados (separação de cargas) pelo campo elétrico em direção aos eletrodos. Isto
gera uma força eletromotriz e a condução elétrica acontece.
83
Conversão Fotovoltaica
COEFICIENTE DE ABSORÇÃO (α)
O coeficiente de absorção tem uma forte dependência em relação ao tipo de material
84
e do comprimento de onda da luz (energia do fóton).
42
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Materiais semicondutores
•Da tabela periódica, utiliza-se geralmente os elementos:
•do grupo IV
•dos grupos III-V
•dos grupos IIB-VI
•A principal diferença entre os semicondutores empregados está na:
•Energia de banda proibida (Eg)
•Tipo de banda proibida (direta ou indireta)
•Energia de banda proibida: A energia necessária para permitir que um elétron
da malha de átomos torne-se livre dentro do material
85
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Banda proibida de materiais semicondutores
•
Quanto maior a energia de banda proibida do material, maior deve ser a energia
do fóton para excitar um elétron para a banda de condução
– Banda proibida muito grande: poucos fótons tem energia suficiente para a
excitação de elétrons, resultando em uma pequena corrente baixa potência
– Banda proibida muito pequena: todos os fótons produzem pequenas tensões
elétricas baixa potência
Material
Tipo de banda proibida
Energia de banda proibida
Silício (Si)
Indireta
1.1 eV
Germânio (Ge)
Indireta
0.66 eV
Telureto de Cádmio (CdTe)
Direta
1.56 eV
Arseneto de Gálio (GaAs)
Direta
1.42 eV
Disseleneto de Cobre Índio (CIS)
Direta
2.4 eV
Disseleneto de Cobre Índio Gálio (CIGS)
Direta
1.5 eV
86
43
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Tipos de banda proibida
• Banda proibida direta
– Somente um fóton é necessário para promover um elétron
– Alta eficiência na criação de elétrons livres
– Materiais mais finos podem ser usados
• Banda proibida indireta
–
–
–
–
Necessita de uma quantidade de energia cinética que não advém de um fóton
Energia cinética advém do momento de outra partículas
Menos eficiente, portanto materiais mais espessos devem ser utilizados
Silício possui banda proibida indireta, mas é muito mais barato, e abundante,
que outros elementos
87
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Disponibilidade de materiais
44
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Recorde de Eficiência – Junção simples
35
30
Limite de Recombinação
Radiativa
GaAs
c-Si
25
InP
Eff (%)
CIGSe
20
InGaP2
CdTe
CISe
15
CIS
CZTSSe
Cu2S
CZTS
WSe2
Zn3P2
10
5
0
0.5
Cu2O
FeS2 Cu SnS
2
3
SnS
1.0
CGSe
1.5
Materiais abundantes
na crosta terrestre (■)
CGS
2.0
2.5
3.0
Eg (eV)
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Silício (Si)
•
2o elemento mais abundante na crosta terrestre
•
Atóxico (exceto os reagentes químicos utilizados no processamento do material)
•
Absorve bem a energia dos comprimentos de onda da faixa visível do espectro
eletromagnético
•
Abundante e, consequentemente, mais barato que outros semicondutores usados
para a fabricação de células fotovoltaicas
•
Usado na indústria eletrônica – maturidade e confiabilidade
•
Extraído da sílica (dióxido de silício) pode ser oxidado para formar um isolante
•
O material dominante na produção de células fotovoltaicas e forte candidato a
permanecer neste posto
•
Banda proibida indireta – baixa absorção da luz
•
Energia de banda proibida menor que a ideal para o espectro solar
90
45
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Germânio (Ge)
•
Amplamente utilizado na indústria eletrônica
•
Baixo teor de impurezas não-dopantes
•
Energia de banda proibida é pequena
•
Tecnologia dominante na indústria fotovoltaica para aplicações espaciais até
meados da década de 1960, quando o silício passou a dominar
•
Atualmente tem sido utilizada em combinação com o silício para desenvolvimento
de células fotovoltaicas de alta eficiência
•
Possibilidade de utilização em várias formas cristalinas e amórficas
•
Pobres propriedades semicondutoras devido à banda proibida indireta
pequenas tensões elétricas
91
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Arseneto de Gálio (GaAs)
•
Elétrons tem tempos de vida mais longos e geram corrente elétrica com maior
facilidade
•
Alta eficiência devido à sua banda proibida direta
•
Ausência de camada isolante natural que previna o curto circuito da célula
fotovoltaica
•
Alto custo
92
46
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Selênio (Se)
•
Primeiras descobertas do efeito fotovoltaico foram feitas com o uso de Selênio
como material semicondutor
•
É uma material de custo elevado e difícil de se obter (muito caro para uso
comercial)
•
Bem adaptado ao espectro solar (maioria dos fótons tem energia suficiente e
poucos fótons tem energia muito superior)
93
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Disseleneto de Cobre Índio (CIS)
•
Extremamente alto coeficiente de absorção da luz
•
Material muito bem adaptado às aplicações de conversão fotovoltaica
•
Alto custo de processamento do material
•
O elemento Índio é escasso na natureza
Disseleneto de Cobre Índio Gálio (CIGS)
•
•
•
•
•
A adição do Gálio aumenta inda mais a absorção da luz
Material mutio bem adaptado às aplicações de conversão fotovoltaica
Alta eficiência
Alto custo de processamento do material
Os elementos Gálio e Índio são escassos na natureza
94
47
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Sulfeto de Cobre (CuS)
•
Usado na década de 1930 como material semicondutor, mas atualmente está em
desuso
•
Cobre e Enxofre são elementos muito comuns e abundantes na natureza
•
Material não produz boas células fotovoltaicas
95
Conversão Fotovoltaica
MATERIAIS PARA CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Telureto de Cádmio (CdTe)
•
•
•
•
Material mais barato que o silício
Cádmio é tóxico
Telúrio é escasso na natureza
Atualmente, apresenta eficiência comparáveis ao silício policristalino de grau solar e
mas ainda abaixo do silício de grau eletrônico e de outros materiais, tais como CIGS
96
48
18/12/2013
Célula Solar Fotovoltaica
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Separação de elétrons
e lacunas pelo Campo
Elétrico
Absorção da
luz
Excitação
de
elétrons
Tensão Elétrica
(V)
Criação de pares
elétron-lacuna
(EHP)
Potência Elétrica
(V x I)
Corrente Elétrica
(I)
Movimento de cargas
pela Força Eletromotriz
97
Célula Solar Fotovoltaica
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
JUNÇÃO PN – ONDE A CONVERSÃO ACONTECE
TIPO P
TIPO N
49
18/12/2013
Célula Solar Fotovoltaica
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Semicondutores extrínsecos: DOPAGEM
Virtualmente quase todos os semicondutores comerciais são
extrínsecos, ou seja, a sua condutividade é proveniente da
adição de impurezas (dopagem) que introduzem excesso de
elétrons ou lacunas.
A concentração das impurezas é da ordem de:
1 impureza para cada 107 átomos do semicondutor
A propósito, existem ~1022elétrons/cm3
1015 impurezas/cm3!
Célula Solar Fotovoltaica
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Semicondutores extrínsecos:
Tipo n:
A adição de uma impureza de valência 5 no Si (val.4), por
exemplo, o Fósforo. elétron (-) móvel
50
18/12/2013
Célula Solar Fotovoltaica
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Semicondutores extrínsecos:
Tipo n:
doadores para Si
Célula Solar Fotovoltaica
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Semicondutores extrínsecos:
Tipo n:
O elétron móvel cria um estado na banda proibida (gap) próximo à
BC (estados doadores).
51
18/12/2013
Célula Solar Fotovoltaica
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Semicondutores extrínsecos:
Tipo p:
A adição de uma impureza de valência 3 no Si (val. 4), por exemplo,
o Boro.
lacuna (+) móvel
Célula Solar Fotovoltaica
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Semicondutores extrínsecos:
Tipo p:
receptores para Si
52
18/12/2013
Célula Solar Fotovoltaica
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Semicondutores extrínsecos:
Tipo p:
A lacuna móvel cria um estado na banda proibida (gap) próximo à BV
(estados receptores).
Célula Solar Fotovoltaica
JUNÇÃO PN – DIODO
Comportamento do diodo em equilíbrio
DERIVA = DIFUSÃO
Tipo-P
Muitas Lacunas
Poucos Elétrons
Banda de
Valencia
Banda de
Condução
Região de
Depleção
Tipo-N
Muitos Elétrons
Poucas Lacunas
Barreira de Potencial impede o fluxo de portadores de carga
106
53
18/12/2013
Célula Solar Fotovoltaica
JUNÇÃO PN – DIODO
Junção Diretamente Polarizada
Tipo-P
Muitas Lacunas
Poucos Elétrons
Região de
Depleção
Banda de
Valencia
Banda de
Condução
Tipo-N
Muitos Elétrons
Poucas Lacunas
Redução da Barreira de Potencial
Possibilita grande Corrente de Difusão
107
Célula Solar Fotovoltaica
JUNÇÃO PN – DIODO
Junção Reversamente Polarizada
Tipo-P
Muitas Lacunas
Poucos Elétrons
Banda de
Valencia
Banda de
Condução
Região de
Depleção
Aumento da Barreira de Potencial
Pequena Corrente de Difusão
Tipo-N
Muitos Elétrons
Poucas Lacunas
108
54
18/12/2013
Célula Solar Fotovoltaica
Corrente
CARACTERÍSTICAS I-V
 qV

I = I 0  e kT − 1


Obscuridão
Crescimento Exponencial
Tensão
Polarização
Reversa
Polarização
Direta
109
Célula Solar Fotovoltaica
JUNÇÃO PN – DIODO
Comportamento do diodo sob iluminação
Criação de pares elétron-lacuna (EHP)
Tipo-P
Muitas Lacunas
Poucos Elétrons
Banda de
Valencia
Banda de
Condução
Região de
Depleção
Tipo-N
Muitos Elétrons
Poucas Lacunas
110
EHP são gerados através do diodo quebrando o equilíbrio com o fluxo de corrente
55
18/12/2013
Célula Solar Fotovoltaica
Corrente
CARACTERÍSTICAS I-V
 qV

I = I 0  e kT − 1 − I L


Obscuridão
Corrente da Absorção de Fótons
Tensão
111
2X mais Fótons = 2X mais Corrente
Célula Solar Fotovoltaica
REGIÃO ATIVA
Região-n
Neutra
Região de
Depleção
Região-p Neutra
Base Tipo-P
Comprimento de
onda Longo
Comprimento de
onda Médio
Comprimento de
onda Curto
Lh
Deriva
Difusão
Le
Campo E
Difusão Deriva
Emissor
Região Ativa = Lh + W + Le
Tipo-N
112
56
18/12/2013
Célula Solar Fotovoltaica
FOTOCORRENTE
• Proporcional a:
– Área da célula solar (A)
• Produza células grandes
– Taxa de geração de pares elétron-lacuna (G)
• Intensidade da luz
– Área ativa (Le + W + Lh)
• Produza grandes comprimentos de difusão (materiais muito puros)
I L = qAG (Le + W + Lh )
113
Conversão Fotovoltaica
RECORDES DE EFICIÊNCIA EM CONVERSÃO
57
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
EVOLUÇÃO DA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA
? Geração
2. Geração
Filmes finos
1. Geração
Silício Cristalino
Nanotecnologia
(0. Geração)
•Eficiente
1. Célula solar
•Produção em massa
Bell Labs 1954
•Baixo custo
Conversão Fotovoltaica
EFICIÊNCIA
100 mW
21 mW - fótons com baixa energia (E<Eg)
31 mW - fótons com muito alta energia (E>>Eg)
Tensão disponível
1.1 V
Corrente disponível
44 mA
Recombinação
Perdas ópticas
Tensão de circuito aberto
0.6 V (0.7 V)
Corrente de curto-circuito
28 mA (41 mA )
Perdas por resistência série
Fator de forma
0.7 (0.8)
14% de Eficiência
Saída da célula
(Escala Comercial) 14 mW (23 mW)
23% de Eficiência
(Escala Laboratorial)
•Mais da metade da energia
incidente é perdida devido à
incompatibilidade da energia
do photon com a energia da
banda proibida
•Incompatibilidade entre
recombinação de pares
elétron-lacuna e absorção
óptica (espessura da célula)
•Quase metade do potencial é
perdido por recombinação
116
58
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULA SOLAR DE SILÍCIO CRISTALINO
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULA SOLAR DE TELURETO DE CÁDMIO
EFICIÊNCIA: 18.3% (LAB)
59
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIA DE CÉLULA SOLAR
DEPOSIÇÃO DE FILME FINO DE TELURETO DE CÁDMIO (CdTe )
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULA SOLAR DE DISSELENETO DE COBRE ÍNDIO GÁLIO (CIGS)
EFICIÊNCIA: 20.3% (LAB)
60
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULAS SOLARES FLEXÍVEIS CdTe E CIGS
Polyimmide
CdTe
TCO
CdS
EFICIÊNCIA: 13.8%
CdTe
Mo
CIGS
EFICIÊNCIA: 18.7%
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULAS SOLARES DE FILME FINO DE KESTERITAS
Cu(In,Ga)Se2
20
CdTe
Efficiency (%)
15
10
CZTSSe
CZTS
5
0
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Year
61
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULAS SOLARES A CORANTE (GRATZEL)
Glass 2 – 3 mm
TCO 0.5 – 1 µm
ePhotoelectrode
Dye
1.5 nm
5 – 20 µm
TiO2
10 – 30 nm
e+
Electrolyte
I3-
- 3I-
-
5 – 20 µm
Pt
Counter
electrode
e-
TCO
Glass
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULAS SOLARES A CORANTE (GRATZEL)
62
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULAS SOLARES FLEXÍVEIS A CORANTE (GRATZEL)
Peccell
G24i
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULAS SOLARES ORGÂNICAS (POLÍMEROS)
63
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULAS SOLARES DE FILME FINO MULTIJUNÇÃO
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULAS SOLARES DE FILME FINO DO TIPO TANDEM
64
18/12/2013
Conversão Fotovoltaica
TECNOLOGIAS DE CÉLULA SOLAR
CÉLULAS SOLARES DE FILME FINO MULTIJUNÇÃO
Recorde mundial: SET/2013
Eficiência: 44,7%
Multijunção: 4 junções
Concentração: 297 sóis
Fraunhofer ISE / Soitec / CEA-Leti / Helmholtz Center Berlin
Processo de
fabricação
CÉLULA SOLAR
DE SILÍCIO
CRISTALINO
65
18/12/2013
Processo de
fabricação
MÓDULO
FOTOVOLTAICO
DE SILÍCIO
CRISTALINO
Processo de Fabricação
CÉLULA FOTOVOLTAICA SILÍCIO CRISTALINO
SÍLICA (QUARTZO)
SILÍCIO METALÚRGICO
LINGOTES mc-Si
LÂMINA DE SILÍCIO SoG
SILÍCIO DE GRAU SOLAR (SoG)
ETAPAS DA PRODUÇÃO DA CÉLULA
66
18/12/2013
Processo de Fabricação
LINGOTE DE SILÍCIO MONOCRISTALINO
PROCESSO SIEMENS
DE PURIFICAÇÃO
FLOAT ZONE (FZ)
SILÍCIO DE GRAU
ELETRÔNICO Si-EG
LINGOTE DE Si-EG
POLICRISTALINO
Processo de Fabricação
LINGOTE DE SILÍCIO MONOCRISTALINO
CZOCHRALSKI (CZ)
67
18/12/2013
OBRIGADO PELA ATENÇÃO
Prof. João Ferreira
[email protected]
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
PROJETO, INSTALAÇÃO E OPERAÇÃO
CONVERSÃO FOTOVOLTAICA
– CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DE CÉLULAS –
PROF. DR. JOÃO MARCELO DIAS FERREIRA
68
18/12/2013
Solar Cell Operation
n
Emitter
p
Base
Rear
Contact
Absorption of photon
creates an electron
hole pair. If they are
within a diffusion
length of the
depletion region the
electric field separates
them.
Antireflection
coating
Front Contact
-
External Load
The electron after
passing through
the load
recombines with
+ the hole
completing the
circuit
137
Solar Cell Electrical Model
• PV is modeled as a current source because it supplies
a constant current over a wide range of voltages
• It has p-n junction diode that supplies a potential
• It has internal resistors that impede the flow of the
electrons
138
69
18/12/2013
Solar
Input
Circuit Diagram
Front Contact
I
Rs
Recombination
I
Current
Source
Ohmic Flow
V
Rsh
Rear Contact
RLoad
External
139
Load
Electrical Losses
• Series Resistance
(Resistance of Hole & Electron Motion)
– Bulk Resistance of Semiconductor Materials
– Bulk Resistance of Metallic Contacts and Interconnects
– Contact Resistance
• Parallel Resistance or Shunt Resistance
(Recombination of Hole and Electron)
– PN junction Leakage
– Leakage around edge of Junction
– Foreign Impurities & Crystal Defects
140
70
18/12/2013
Power & IV Curve
• Power (Watts) is the rate at which energy (Joules) is supplied
by a source or consumed by a load… It is a rate not a quantity
• The power output by a source is the product of the current
supplied and the voltage at which the current was supplied
• Power output = Source voltage x Source current
– P=V x I (Watts = Joules/second) = (Volts)x(Amperes)
• By changing the resistance of the load different currents and
corresponding voltages can be measured and plotted
141
Solar Cell I-V Characteristics
Current
 qV

I = I 0  e kT − 1 − I L


Dark
Current from Absorption of Photons
Voltage
Light
Twice the Light = Twice the Current
142
71
18/12/2013
Operating Point
I (mA)
V oc
0.1
I
0.2
0.3
0
V
I-V for a solar cell
under an illumination
of 700 W m-2
−100
Slope = - 1/R
Operating point
I′
Isc = −Iph
−200
R
I
(a)
0.6
0.5
V′
I
V
0.4
The load line for
R=3Ω
(I-V for the load)
P
(b)
143
Short
Circuit
Current
IV Plot
Maximum
Power
Imp
FF =
Current
Operating
Point
I mpVmp
I scVoc
Power
Vmp
Voltage (V)
Volt (V)
0
0.1
0.3
0.5
0.54
0.57
Current (A)
1.3
1.3
1.3
1.2
0.75
0
Power (W)
0
0.13
0.39
0.6
0.4
0
Open
Circuit
Voltage
144
72
18/12/2013
Resistance Effects
ISC
ISC
Current
Current
Increasing
RS
Voltage
decreasing
RP
VOC
Voltage
VOC
Ideal case RS = 0 and RP = ∞
Both reduce the area of the maximum power rectangle
therefore reducing the efficiency and fill factor
145
Loss Mechanisms in Solar Cells
Loss
Optical
Electrical
Ohmic
Reflection
Shadowing
Unabsorbed Radiation
Solar Cell Material
Base
Emitter
Contact Material
Finger
Collection Bus
Junction
Metal – Solar Cell
Recombination
Emitter Region
Solar Cell Material
Surface
Base Region
Solar Cell Material
Surface
Space Charge Region
146
73
18/12/2013
Photovoltaic Effect
Separation of holes and
electrons by Electric Field
Voltage
Absorption of
Light
Excitation
of electrons
Creation of
extra electron
hole pairs
(EHP)
Power = V x I
Current
Movement of charge
by Electric Field
147
Linking Cells
• Solar cells are not usually used individually because they do
not output sufficient voltage and power to meet typical
electrical demands
• The amount of voltage and current they output can be
increased by combining cells together with wires to produce
larger area solar modules
• Cells can be connected in a number of ways
– Strings – where cells are connected in series
– Blocks 2 or more strings connected together in parallel
– Joining 2 or more blocks together
148
74
18/12/2013
Parallel
connections
increase the
current output
Current
Current
Solar Cell Panels
Voltage
Current
Series
connections
increase the
voltage output
Voltage
Blocks
increase both
current and
voltage
output
Voltage
149
Calculating Voltage and Current
• Series connections are made by connecting one cell’s n-type
contact to the p-type of the next cell
• Parallel connections are made by joining each cells n-type
contacts together and p-type contacts together
• Series connections the voltages add
• Parallel connections the current add
• Series connections the current flow is equal to the current
from the cell generating the smallest current (limited by
poorest cell)
• Parallel connections the voltage is the average of the cells or
150
string in parallel
75
18/12/2013
Example: Cells Series Connected
1
Cell A
V = 0.58 V
I = 0.28 A
Cell B
V = 0.54 V
I = 0.31 A
Cell C
V = 0.61 V
I = 0.25 A
2
• The voltage across terminals 12 is the sum of the voltages
• V12 = VA + VB + VC = 0.58 + 0.54 + 0.61 =1.73(V)
• The current through the cells is restricted by the smallest
current produce by any of the cells
• I12 = 0.25 (A)
151
Example: Cells Parallel Connected
3
Cell A
V = 0.58 V
I = 0.28 A
Cell B
V = 0.54 V
I = 0.31 A
Cell C
V = 0.61 V
I = 0.25 A
4
• The voltage across terminals 34 is the average of the voltages
• V34 = (VA + VB + VC )/3 = (0.58 + 0.54 + 0.61)/3 = 0.58(V)
• The current at the terminals 34 is the sum of the currents in
each cell
• I34 = (IA + IB +IC) = (0.28 + 0.31 + 0.25) = 0.84(A)
152
76
18/12/2013
Example: Block Connected
5
A
A
A
B
B
B
C
C
C
6
• The voltage across terminals 56 given by the series voltage already
calculated:
• V56 = VA + VB + VC = 0.58 + 0.54 + 0.61 =1.73(V)
• The current at the terminals 56 is the sum of the currents in each
string already calculated
• I56 = 3(Istring) = 3(0.25) = 0.75(A)
153
Summary Linking Cells
• Linking modules or batteries is similar to connecting
PV cells
– Series Connections
• Voltages are added in series connections
• The current is restricted to the smallest current
– Parallel connections
• The currents are added in parallel connections
• The voltages are averaged from each string
• Solar Cells and Modules are Matched to improve the
power generated
154
77
18/12/2013
Características elétricas
dos módulos fotovoltaicos
Características elétricas
dos módulos fotovoltaicos
78
18/12/2013
Fluxograma MPPT
Método P&O
Fluxograma MPPT
Método P&O
79
18/12/2013
OBRIGADO PELA ATENÇÃO
Prof. João Ferreira
[email protected]
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
Prof. Dr. Kleber Oliveira
80
18/12/2013
Sistema fotovoltaico
• Sistemas fotovoltaicos autônomos
• Sistemas fotovoltaicos ligados á rede elétrica
Sistemas FV autônomos
•
•
•
•
Componentes
Baterias
Controlador de carga
Inversor
Painéis fotovoltaicos
81
18/12/2013
Sistemas FV autônomos
• Bateria
Bateria
• Nem sempre a geração e o consumo
coincidem.
• O que faz necessário a presença de uma
bateria para fornecer energia para o
consumidor e para evitar o desperdício
quando o consumo é baixo, permitindo seu
armazenamento para uso posterior.
82
18/12/2013
Bateria
Autodescarga
• Acontece quando as baterias descarregam
gradualmente, quando não estão em uso,
através de processos químicos internos.
Descarga profunda
• Quando a descarga ultrapassa 50% da
capacidade da bateria.
Bateria
• Estabiliza
a
tensão
fornecida
equipamentos ou ao inversor.
aos
• As baterias podem ser agrupadas em série ou
em paralelo para formar bancos de baterias.
83
18/12/2013
Baterias
• A associação série permite obter tensões
maiores.
• A associação em paralelo permite o
fornecimento de mais corrente para a mesma
tensão.
Baterias
• Conexão série
3V
i
V
i
V
V
84
18/12/2013
Baterias
• Conexão em paralelo
V
3i
i
i
V
i
V
V
Baterias
• Conexão Mista
V
i
i
i
V
3V
V
V
i
V
2i
V
85
18/12/2013
Baterias
• As baterias de chumbo-ácido são as mais
utilizadas. Podem ser de ácido líquido ou em
gel e podem ser seladas ou abertas.
• As baterias seladas não requerem adição de
água.
• Alternativa: bateria de níquel cádmio ou
níquel-metal-hidreto.
Baterias
• As baterias de níquel são mais caras, porém
são mais duráveis e pode ser mais adequadas
em algumas aplicações remotas.
• Neste caso são vantajosas e seu custo inicial é
compensado pela redução dos custos de
manutenção dos sistemas.
86
18/12/2013
Baterias
Bateria de chumbo ácido estacionária com
eletrólito líquido
• Bateria mais difundida no mercado devido ao
seu reduzido custo e é mais empregado nos
sistemas fotovoltaicos autônomos.
• Em aplicações fotovoltaica não se recomenda
utilizar baterias automotivas convencionais.
Baterias
• As baterias de chumbo ácido automotiva não
é adequada para aplicações que precisam de
corrente elétrica por período prolongados.
87
18/12/2013
Baterias
• Para fornecer grande intensidade de
correntes, a bateria automotiva é construída
com placas metálicas finas para aumentar sua
área de superfície.
• Uma superfície grande é necessária para
permitir rápidas reações químicas quando a
bateria é solicitada.
• Pouca descarga e as placas
são pouco utilizadas
Baterias
Bateria estacionária
• Possui placas metálicas mais grossas, sendo
projetadas para fornecer correntes por longos
períodos.
• Pode
oferecer
sobrecorrente
quando
necessário.
• É
projetada
para
ser
descarregada
completamente várias vezes, o que não é
possível numa bateria automotiva.
88
18/12/2013
Baterias
• Pode ser usada em longos períodos de tempo
e pode ser descarregada até atingir uma
porcentagem menor de sua carga máxima sem
se danificar.
• Possui taxa de autodescarga menor
comparada a uma bateria automotiva, ou seja,
carga elétrica preservada por mais tempo
quando a bateria não está em uso.
Baterias
Bateria de chumbo ácido com eletrólito em
gel
• É uma versão melhorada da bateria de
chumbo ácido com eletrólito líquido.
• Possui maior vida útil, com um número maior
de ciclos de carga e descarga.
• Requer um controlador de carga adequado às
suas características, pois é altamente sensível
a sobrecargas.
89
18/12/2013
Baterias
•
•
•
•
Baterias de Níquel-Cádmio (NiCd) e NíquelMetal-Hidreto (NiMH)
São mais caras do que as baterias de chumbo
ácido líquidas ou em gel.
Baixo coeficiente de autodescarga.
Suportam elevadas variações de temperatura.
Permitem descargas mais profundas.
Baterias
Baterias de ciclo profundo
• São projetadas para suportar um número
maior de carga e descarga.
• Podem descarregar mais do que as
convencionais.
• As baterias de chumbo ácido estacionárias são
consideradas de ciclo profundo.
90
18/12/2013
Baterias
Vida útil da bateria
• A vida útil da bateria é determinada pelo
número de ciclos de carga e descarga que ela
pode realizar.
• O número máximo de ciclos depende da
profundidade da descarga realizada.
Baterias
• Gráfico da vida útil de uma bateria de
chumbo ácido em função da temperatura de
utilização.
91
18/12/2013
Baterias
• Em cada ciclo de carga e descarga de uma
bateria o material das placas metálicas é
transferido para os seus terminais.
• Uma vez que esse material separa-se do
eletrodo, não pode ser novamente utilizado e
a bateria vai se desgastando conforme é
utilizada.
Baterias
• Números de ciclos de carga e descarga
possíveis em função da profundidade de
descarga da bateria.
92
18/12/2013
Sistemas FV autônomos
• Controlador de carga
Controlador de carga
• É um dispositivo que faz a correta conexão
entre o painel fotovoltaico e a bateria,
evitando que a bateria seja sobrecarregada ou
descarregada excessivamente.
• Sistemas fotovoltaicos com baterias devem
obrigatoriamente utilizar um controlador ou
regular de carga.
93
18/12/2013
Controlador de carga
• Alguns controladores realizam o carregamento
da bateria respeitando seu perfil de carga, o
que tende a aumentar a sua vida útil.
• Os mais sofisticados possuem o rastreamento
do ponto de máxima potência (MPPT),
possibilitando aumentar a eficiência do
sistema fotovoltaico.
Controlador de carga
Funções do controlador de carga:
• Proteção de sobrecarga
• Proteção de descarga excessiva
• Gerenciamento da carga da bateria
94
18/12/2013
Controlador de carga
Proteção de sobrecarga
• Função que impede a bateria seja
sobrecarregada.
• O controlador é responsável por monitorar o
valor da tensão nos terminais da bateria e
impedir que continue sendo carregada
quando a tensão de carga é atingida.
Controlador de carga
Proteção de descarga excessiva
• Também chamada de função de desconexão
com baixa tensão, é o recurso do controlador
de carga que faz com que o consumo de
energia do sistema fotovoltaico seja
interrompido quando a bateria atinge um
nível crítico de carga.
95
18/12/2013
Controlador de carga
Gerenciamento da carga da bateria
• Recurso oferecido apenas pelos controladores
mais sofisticados, que possuem algoritmos de
carga com múltiplos estágios.
Controlador de carga
Modo de utilização
• Os controladores de carga comerciais
possuem três conjuntos de terminais.
96
18/12/2013
Controlador de carga
Principais tipos de controladores de carga
• Convencional
– Controlador com chave série
– Controlador com chave paralela
• Controlador eletrônico com PWM
• Controlador eletrônico com PWM e MPPT
Controlador de carga
Controlador de carga convencional
• São os mais simples possíveis que existem e
são encontrados na maior parte dos sistemas
fotovoltaicos.
• São dispositivos de baixo custo.
97
18/12/2013
Controlador de Carga
• Possuem duas funções básicas:
– desconectar o módulo fotovoltaicos quando a
bateria está complemente carregada e,
– desconectar o consumidor da bateria quando a
bateria atingir um nível de carga muito baixo.
• São dois tipos:
– controlador série;
– controlador paralelo.
Controlador de Carga
• Controlador série
98
18/12/2013
Controlador de Carga
• As chaves são abertas ou fechadas de acordo
com o estado de carga da bateria.
• Um circuito de controle monitora a tensão da
bateria e toma decisão de abrir ou fechar as
chaves.
Controlador de Carga
• A chave 1 permanece fechada quando a
bateria está no estado de carga ou encontrase na faixa de operação normal, ou seja, seu
nível de carga está acima do crítico e abaixo
do máximo.
99
18/12/2013
Controlador de Carga
• Controlador paralelo
Controlador de Carga
• A chave 1 é posicionada em paralelo com o
módulo fotovoltaico, dessa forma quando
fechada desvia toda corrente elétrica do
módulo e cessa o fornecimento ao restante do
circuito.
100
18/12/2013
Controlador de Carga
Controlador eletrônico com PWM
• Esse tipo de controlador são equipamentos
mais sofisticados do que os convencionais.
Controlador de Carga
• No lugar das chaves ou relés existem
transistores e circuito eletrônicos que fazem o
controle preciso das correntes de carga da
bateria.
• Possuem a vantagem de maximizar o uso da
bateria e prolongar sua vida útil.
101
18/12/2013
Controlador de Carga
Controlador eletrônico com PWM e MPPT
• Esse controlador é mais sofisticado e caros
encontrados no mercado.
Controlador de Carga
• Além de possuírem circuitos eletrônicos de
chaveamento com PWM, possuem o recurso
do MPPT, que faz os módulos operarem
sempre no seu ponto de máxima potência,
independente da condição de radiação solar
ou temperatura.
102
18/12/2013
Controlador de Carga
• Existe somente um valor de tensão no qual a
potência á máxima.
Controlador de Carga
• Presença de dois estágios eletrônicos permite
desacoplar as tensões do módulo e da bateria.
103
18/12/2013
Controlador de Carga
• Com o uso do controlador com MPPT dá-se
um ganho de até 30%.
Sistemas FV autônomos
• Inversor
104
18/12/2013
Inversor
• O inversor é o equipamento eletrônico que
converte uma tensão e corrente contínua (CC)
em tensão e corrente continua (CA).
Inversor
• O inversor é necessário nos sistemas
fotovoltaicos para alimentar consumidores em
corrente alternada a partir da corrente
contínua produzida pelo painel fotovoltaico.
• A maior parte dos aparelhos eletrodomésticos
são construídos para trabalhar com a rede
elétrica com uma tensão alternada, que pode
ser 110V ou 220V e uma frequência de 60Hz.
105
18/12/2013
Inversor
• Inversores
eletrônicos
para
sistemas
fotovoltaicos autônomos estão disponíveis no
mercado em uma vasta gama de potência e
tensões de entrada, tipicamente, 12 V, 24 V
ou 48 V.
• Pequenos sistemas fotovoltaicos, que
possuem até 8 módulos, podem trabalhar
com uma tensão de 12 V.
Inversor
• Sistemas fotovoltaicos de maior potência, que
possuem um número maior de módulos,
necessitam de níveis mais elevados de tensão
para evitar que as correntes sejam muito
grandes.
106
18/12/2013
Inversor
• Princípio de funcionamento
Inversor
• Princípio de funcionamento
Semi-ciclo positivo
Semi-ciclo negativo
107
18/12/2013
Inversor
• Princípio de funcionamento
Inversor
• Tipos de inversores
Onda quadrada
Onda senoidal modificada
Onda senoidal
108
18/12/2013
Inversor
Inversores onda quadrada e senoidal
modificada
• São equipamentos de baixo custo destinado à
alimentação de eletrodomésticos, lâmpadas e
aparelhos eletrônicos que não são sensíveis à
distorção de tensão e operam normalmente.
Inversor
Inversor PWM de onda senoidal pura
• São aparelhos que produzem tensões com
formato de ondas senoidais.
• São ideais para alimentar todos os tipos de
consumidores com elevada confiabilidade e
excelente qualidade de energia.
109
18/12/2013
Inversor
• Funciona utilizando o principio da modulação
da largura de pulso (PWM).
• Produz uma sequencia de pequenas ondas
quadradas de alta frequência.
• O padrão de pulsos de PWM da saída do
inversor possui um conteúdo senoidal.
Sistemas FV autônomos
• Módulos
fotovoltaicos
autônomos
para
sistemas
110
18/12/2013
Módulos Fotovoltaicos
• Grande parte dos sistemas fotovoltaicos
autônomos operam na tensão de 12 V.
• Inversores, baterias e controladores de carga
para 12 V são os mais encontrados no
mercado.
Módulos Fotovoltaicos
• Os módulos encontrados no mercado
dividem-se em duas categorias: módulos com
36 células, com potências entre 130 W e 140
W e módulos de 60 células, com potências
entre 240 W e 250 W.
111
18/12/2013
Módulos fotovoltaicos
• Sistemas para alimentação de consumidores
Módulos fotovoltaicos
• Sistemas sem baterias
112
18/12/2013
Módulos fotovoltaicos
Sistemas sem baterias
• Algumas aplicações podem dispensar o uso de
baterias.
• É o caso de sistemas de bombeamento d’água.
Módulos fotovoltaicos
• Neste caso o próprio elemento a ser
armazenado é água.
• Toda energia produzida pelo painel é
diretamente fornecida à bomba e armazenada
na forma de água no reservatório.
• Sofre com a intermitência da radiação solar.
113
18/12/2013
Módulos fotovoltaicos
Vantagens:
• Baixo custo;
• Aumento da confiabilidade, pois a ausência de
bateria aumenta a vida útil do sistema.
Sistemas autônomos de
grande porte
• É possível construir sistemas fotovoltaicos
relativamente grandes, até alguns quilowatts,
com o mesmo esquema apresentado
anteriormente.
114
18/12/2013
PROJETO DE UM SISTEMA
FOTOVOLTAICO
Prof. Dr. Kleber Oliveira
Cálculo da energia produzida
pelos módulos fotovoltaicos
• É necessário determinar quanta energia é
produzida diariamente por um módulo
fotovoltaico.
115
18/12/2013
Cálculo da energia produzida
pelos módulos fotovoltaicos
Método da insolação
• Esse método pode ser empregado no cálculo da
energia produzida pelo módulo fotovoltaico
quando se tem informação sobre a energia do Sol
disponível diariamente no local da instalação.
• O valor da insolação diária para uma região pode
ser encontrado em mapas solarimétricos ou
obtidos através de ferramentas computacional.
Cálculo da energia produzida
pelos módulos fotovoltaicos
• Esse método é válidos quando se considera o
uso de controladores de carga com MPPT.
• Ao considerar o valor da energia do Sol
disponível diariamente como base para o
cálculo, espera-se extrair o máximo possível
dessa energia.
• Neste caso a energia produzida é limitada
apenas pela eficiência do modulo.
116
18/12/2013
Levantamento das
características do módulo
• As características do módulo fotovoltaico
necessárias para o cálculo da energia
produzida com base na insolação são as suas
dimensões físicas (para o cálculo da área) e a
sua eficiência.
• A eficiência do módulo, se não for fornecida
pelo fabricante, pode ser calculada.
ηP =
PMáx
AP .1000
Levantamento das
características do módulo
Exemplo
• Módulo Bosch M2403BB de 240W possui os
seguintes dados
– Pmáx = 240W
– Ap=0,99m x 1,66m = 1,6434 m2
• Logo a eficiência vale:
ηP =
240
= 0,146 = 14,6%
1,6434.1000
117
18/12/2013
Levantamento das
características do módulo
• A energia produzida pelo módulo fotovoltaico
é calculada pela seguinte fórmula:
EP = ES . AM .η M
Levantamento das
características do módulo
Exemplo:
• Cálculo da energia produzida pelo módulo
LD135R9W da LG. Pmax = 135W e considere
uma localidade que possui a insolação de
4500 Wh/m2/dia.
118
18/12/2013
Levantamento das
características do módulo
• 1º passo: verificar as informações necessárias
nos datasheet do fabricante.
Altura
Largura
Área
Eficiência
1,474m
0,668m
0,984m2
13,7%
Levantamento das
características do módulo
• Com base nessas informações, aplica-se a
fórmula apresentada anteriormente.
EP = 4500.0,984.0,137 ≅ 607 Wh
• Esse cálculo leva em conta que o módulo vai
ser instalado de modo a maximizar o
aproveitamento da energia solar e será
empregado com um controlador de carga que
possui MPPT.
119
18/12/2013
Método da corrente
máxima do módulo
• Nesse método considera-se que não é
necessário ter o aproveitamento máximo da
energia solar, pois o sistemas fotovoltaico não
está equipado com MPPT.
• A tensão do módulo é imposta pela bateria.
Método da corrente
máxima do módulo
• O primeiro passo é calcular a energia
produzida pelo módulo através desse método
através de sua folha de dados.
• O cálculo da energia produzida pelo módulo
nesse método é feito pela seguinte fórmula:
EP = PM .H S
• Onde Hs são as horas diárias de insolação.
120
18/12/2013
Método da corrente
máxima do módulo
• A potência do módulo é calculada por
PM = I SC .VBAT
• A quantidade de horas diárias de insolação de
uma localidade é um número que pode variar
ao longo do ano e é diferente para cada região
geográfica.
• Valores que possibilitam bons resultados estão
entre 4 e 6 horas.
Método da corrente
máxima do módulo
• O dimensionamento de um sistema
fotovoltaico nessas condições, através desse
método, é extremamente empírico e os
resultados produzidos podem requerer ajustes
em função das condições reais de
funcionamento do sistema, o que pode ser
feito na prática e após verificadas as condições
verdadeiras de produção e consumo de
energia.
121
18/12/2013
Método da corrente
máxima do módulo
• Exemplo:
• Cálculo da energia produzida pelo módulo
LD125R9W da LG com o método da corrente
máxima do módulo. Considerar uma
localidade com 5 horas diárias de insolação e
um sistema fotovoltaico autônomo com um
banco de baterias de 12V.
Método da corrente
máxima do módulo
1º passo: buscar as informações que interessa.
• A potência do módulo neste caso será:
• PM = 6,83 x 12 = 81,96 W
• EP = 81,96 x 5 = 410 Wh
Potência máxima
98,23 W
Vmpp
15,54 V
Impp
6,32 A
Voc
19,99 V
Isc
6,83 A
122
18/12/2013
Dimensionamento do
banco de baterias
• O dimensionamento do banco de baterias do
sistema fotovoltaico consiste em determinar
os tipos, a quantidade e a forma de
organização das baterias utilizadas.
Dimensionamento do
banco de baterias
Número de baterias em série
N BS =
Vbanco
Vvbat
• NBS é o número de baterias em série.
• Vbanco é a tensão do banco de baterias (V).
• Vvbat é a tensão da bateria utilizada (V).
123
18/12/2013
Dimensionamento do
banco de baterias
Capacidade de carga do banco de baterias
Cbanco =
EA
Vbanco
• Cbanco é a capacidade de carga do banco de
baterias em Ah.
• EA é a energia armazenada no banco de
baterias (Wh).
• Vbanco é a tensão do banco de baterias (V).
Dimensionamento do
banco de baterias
Energia armazenada
EA =
EC
PD
• EA é a energia armazenada no banco de
baterias (Wh).
• EC é a energia consumida (Wh).
• PD é a profundidade de descarga permitida.
124
18/12/2013
Dimensionamento do
banco de baterias
• Número de conjuntos em paralelos
N BP
Cbanco
=
Cbat
• NBP é número de conjuntos em paralelo.
• Cbanco é a capacidade de carga do banco de
baterias em Ah.
• Cbat é a capacidade de carga de cada bateria em
Ah.
Dimensionamento do
banco de baterias
Exemplo
• Dimensionar um banco de baterias para um
sistema que consome 8600Wh de energia.
• Sistema Fotovoltaico de 24V.
• Bateria de 12V e profundidade máxima de
descarga de 30%.
125
18/12/2013
Dimensionamento do
banco de baterias
• Baterias em série
N BS =
24
=2
12
• Energia armazenada
EA =
8600
= 28,666Wh
0,3
Dimensionamento do
banco de baterias
• Capacidade do banco de baterias
Cbanco =
8600
= 1195 Ah
24.0,30
• Em paralelo
N BP
1195
=
=5
240
126
18/12/2013
Levantamento do
Consumo
Levantamento do consumo de energia do
sistema fotovoltaico autônomo
• O primeiro passo para o dimensionamento de
um sistema fotovoltaico é o levantamento do
consumo de energia elétrica.
• Precisa-se saber quais aparelhos elétricos
serão usados e durante quantas horas eles
ficarão ligados durante um dia.
Levantamento do
Consumo
• O cálculo da energia necessária para alimentar
um aparelho elétrico ou eletrônico é feito pela
potência do aparelho e pelo número de horas em
que ele é utilizado.
• Em
sistemas
fotovoltaicos
autônomos,
normalmente se esta interessado em saber qual a
energia consumida pelo aparelho no período de
um dia, pois se deseja dimensionar os painéis
fotovoltaicos e as baterias para possibilitar o uso
diário desses aparelhos.
127
18/12/2013
Levantamento do
Consumo
• A energia elétrica consumida por aparelho
eletroeletrônico é calculada por:
EC = P.T
• Onde:
– Ec é a energia consumida (Wh);
– P é a potência do aparelho (W);
– T é o tempo de uso (h).
Levantamento do
Consumo
• O consumo de energia dos aparelho
alimentados pelo sistema fotovoltaico pode
ser determinado a partir da potência do
aparelho mostrada na placa de identificação,
no seu manual ou no catálogo do fabricante.
128
18/12/2013
Levantamento do
Consumo
• O dimensionamento de um sistema
fotovoltaico deve levar em conta o uso médio
do aparelho.
Aparelho
Potência
(W)
Dias de uso no
Tempo de
mês
utilização diária
Consumo
mensal (kWh)
Geladeira
200
30
10 h(*)
60
Chuveiro elétrico
3500
30
40 min
70
Cafeteira elétrica
1000
30
1h
30
Ventilador
100
30
8h
24
Computador
250
30
3h
22,5
90
30
5h
13,5
1000
12
1h
12
TV (20’’)
Ferro elétrico
Levantamento do
Consumo
• Normalmente os sistemas fotovoltaicos são
dimensionados com base no consumo diário
de energia, pois é comum realizar o cálculo da
energia produzida diariamente pelo módulo
fotovoltaico.
129
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
Exemplo de um dimensionamento de um
sistema fotovoltaico autônomo.
• Cargas:
– Duas lâmpadas de 60W: ligadas durante 5 horas
por dia.
– Um televisor de 200W: ligado 4 horas por dia.
– Um refrigerador de 200W: ligado 10 horas por dia
(tempo médio de funcionamento do motor do
compressor)
Exemplo de um
dimensionamento
Características do sistema:
• Baterias de chumbo ácido de 12 V com
descarga máxima de 50%.
• Controlador de carga convencional, sem
MPPT.
• Deve ter energia armazenada nas baterias
para dois dias de uso.
130
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
Características do sistema:
• Módulos fotovoltaicos LD135R9W em região
com 5 horas diárias de insolação.
• A tensão de alimentação da instalação dos
aparelhos é de 127 V e a tensão do banco de
bateria é de 24 V.
Exemplo de um
dimensionamento
Levantamento do consumo
• Energia necessária diariamente:
Aparelho
Qtde Potência (W) Tempo (h) Energia diária (Wh)
Lâmpadas
2
60
5
600
TV
1
200
4
800
Refrigerador
1
200
10
2000
Total
3400
• Então EC = 3400 Wh.
131
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
Dimensionamento do banco de bateria
• Deve-se levar em conta os seguintes aspectos:
– Quanta energia é necessária para o consumo
diário.
– Quanto dias o banco de baterias deve ser capaz de
alimentar o consumo caso não haja produção de
energia em dias chuvosos ou nublados.
– Qual a profundidade de descarga permitida para
as baterias.
Exemplo de um
dimensionamento
• O primeiro aspecto tem resposta simples, pois
o dimensionamento do sistema parte do
conhecimento dos aparelhos que serão
alimentados e de seu tempo médio de
utilização.
132
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
• O segundo aspecto já é um pouco complicado.
Se as baterias forem dimensionadas para
armazenar energia suficiente para uma
semana de uso, por exemplo, o custo do
sistema
ficará
elevado.
Se
forem
dimensionadas apenas para o uso diário,
corre-se o risco de ficar sem energia em um
dia de chuva.
Exemplo de um
dimensionamento
• O dimensionamento do banco de baterias
depende da aplicação e do conforto
desejados. Se o sistema fotovoltaico for usado
em uma aplicação crítica, como a alimentação
de uma estação de telecomunicações ou de
um sistema de iluminação de aeroporto, é
recomendável fazer o dimensionamento das
baterias para suportar vários dias sem geração
de eletricidade, pois isso garante a
continuidade do serviço.
133
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
• Para alimentar eletrodomésticos em uma
residência, pode-se dimensionar o banco para
ter energia durante apenas um ou dois dias.
• Em caso de dias chuvosos ou nublados o
usuário pode reduzir seu consumo. Dessa
forma o conforto é reduzido, mas o custo do
sistema também é, pois tem um menor
número de baterias.
Exemplo de um
dimensionamento
• O terceiro aspecto afeta a durabilidade ou a
vida útil das baterias.
• Se as baterias forem dimensionadas para
serem descarregadas diariamente com uma
profundidade de descarga muito grande, seu
tempo de vida será severamente reduzido.
134
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
• Se as baterias forem dimensionadas para uma
pequena profundidade de descarga, sua
durabilidade será maior, porém o custo do
sistema será mais elevado.
• O projetista deve levar em conta o custobenefício do sistema e a facilidade ou
dificuldade para realizar a manutenção.
Exemplo de um
dimensionamento
• Em geral uma profundidade de descarga de
20% nas baterias de chumbo ácido é
adequada para proporcionar uma longa vida
útil, enquanto uma descarga de 50%
proporciona
um
custo
menor
com
inconveniente de vida útil reduzida e
necessidade frequente de manutenção para a
substituição das baterias.
135
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
• Para este exemplo, a profundidade de
descarga prevista é de 50%, com energia
armazenada nas baterias para dois dias de
uso.
Exemplo de um
dimensionamento
• Neste exemplo tem-se, então:
– EC = 3400 Wh (energia consumida diariamente)
– EA = 3400 Wh x 2 dias = 6800 Wh ou 6,8 kWh
• O banco de baterias deve ter tensão de 24V.
Como é utilizado baterias de chumbo ácido de
12 V, tem-se:
– NBS = 24/12 = 2 baterias ligadas em série
136
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
• A capacidade do banco de baterias será:
– Cbanco = 6800/(24x0,5) = 566 Ah
• Considerando um banco de baterias de 240 Ah*,
determina-se o número de conjuntos de baterias
conectados em paralelo:
– NBP = 566/240 = 2,36
• Para garantir que o sistema fotovoltaico atenderá
as necessidades do usuário será emprego 3
conjuntos.
* Datasheet do fabricante
Exemplo de um
dimensionamento
Quantidade de módulos fotovoltaicos
• A escolha da quantidade de módulos
empregados deve ser feita com base na
produção de energia elétrica do módulo no
local da instalação e no tipo de controlador de
carga empregado no sistema.
137
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
• Neste exemplo o controlador de carga não
possui o recurso MPPT. Assim o cálculo da
energia produzida pelo módulo é feito pelo
método da corrente máxima.
• Foi visto anteriormente que um módulo
LD135R9W fornece 410 Wh de energia
diariamente em um local com 5 horas diárias
de insolação.
Exemplo de um
dimensionamento
• Neste exemplo o sistema tem a tensão de
operação de 24 V, pois esta é a tensão do
banco de baterias. Obrigatoriamente serão
utilizados 2 módulos LD135R9W em série e
um número de módulos em paralelo que
ainda é necessário determinar.
Potência máxima
98,23 W
Vmpp
15,54 V
Impp
6,32 A
Voc
19,99 V
Isc
6,83 A
138
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
• O número total de módulos necessários no
sistema é calculado por:
N=
• Sendo
EC
EP
– N é o número de módulo do sistema
– EC é a energia diária consumida no sistema (Wh)
– EP é a energia diária produzida por cada módulo
(Wh)
Exemplo de um
dimensionamento
• Então teremos para o sistema considerado:
N = 3400/410 = 8,29
• Como no caso do dimensionamento do banco de
baterias, pode-se arredondar o número obtido
para cima ou para baixo.
• Obrigatoriamente deve-se empregar o conjunto
de dois módulos em série devido à tensão de
operação de 24 V do sistema, será necessário
utilizar um número par de módulos. Neste caso,
empregaremos 8 módulos em paralelo.
139
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
Controlador de carga
• Depois de dimensionar o conjunto de módulos
fotovoltaicos e o banco de baterias, a próxima
etapa é escolher o modelo de controlador de
carga empregado.
• A especificação do controlador de carga leva
em conta dois parâmetros, sendo a tensão de
operação e a corrente elétrica máxima
fornecida pelos módulos.
Exemplo de um
dimensionamento
• A corrente máxima fornecida por cada módulo
LD135R9W, de acordo com a folha de dados
do fabricante, é a corrente de curto-circuito
nas condições padrão, que é 8,41 A.
• O conjunto de 8 módulos fotovoltaicos, para
este exemplo, possui 2 módulos em série e 4
conjuntos em paralelo, o que resulta uma
corrente elétrica máxima de 4 x 8,41 = 33,64
A.
140
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
• A corrente máxima fornecida pelo módulos
pode ser corrigida por um fator de segurança
de 30%, para garantir que a corrente máxima
do controlador especificado não será excedida
em nenhuma hipótese.
• Assim, a corrente máxima para esse projeto
será 33,64 x 1,3 = 43,73 A.
Exemplo de um
dimensionamento
• O controlador de carga empregado nesse
sistema deve operar na tensão de 24 V e
suportar a corrente máxima de 43,73 A.
• Buscando nos catálogos dos fabricantes de
controladores de carga, encontram-se na faixa
de 24 V com corrente de 30 A a 60 A.
• Neste exemplo, pode-se escolher um
controlador com as especificações de 24 V e
45 A.
141
18/12/2013
Exemplo de um
dimensionamento
Organização do sistema
• O inversor escolhido de acordo com as
tensões de entrada e saída especificamente
para o sistema e deve suportar a potência
total dos aparelhos que serão alimentados.
Exemplo de um
dimensionamento
•
•
•
•
Características do sistema:
8 módulos LG, modelo LD135R9W
6 baterias de 240 Ah / 12 V
Um controlador de carga 24 V / 45 A
Um inversor 24 Vcc / 127 Vca / 500 W
142
18/12/2013
Projeto
•
•
•
•
Dados necessários:
Determinar as cargas, a tensão de alimentação
e consumos em potência nominal.
Determinar em quantos dias da semana
iremos utilizar.
Determinar quantas horas por dia iremos
utiliza.
Autonomia prevista.
Obrigado !
Prof. Kleber Oliveira, Dr.
[email protected]
143
18/12/2013
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
PROJETO, INSTALAÇÃO E OPERAÇÃO
INSTALAÇÃO FOTOVOLTAICA
Sistemas residenciais e comerciais
PROF. DR. JOÃO MARCELO DIAS FERREIRA
Agenda
•
•
Resources
Assumptions and Background
•
The DC side of things
– Choosing and Connecting the Panels in Series
– Proper grounding
– String combiners
•
Meeting in the Middle
– DC connection to the Inverter
– DC Disconnects, fusing and loading
•
The AC side of things
– AC Connection to the Inverter
– AC Disconnects, fusing and safety
– Connecting to the grid
•
Summary and questions
144
18/12/2013
Resources
Doc Solstice’s Seasoned Sentiments
Facts about Global PV installations
Global PV installations reached 27.7GW in 2011
http://www.pv-tech.org/news/global_pv_installations_reached_27.7gw_in_2011_industry_at_crossroads_says
That comes to 0.87 KW per second or 3 to 4 panels every second of
the year
http://www.pvmarketresearch.com/press-release/Global_PV_Installations_to_Grow_by_up_to_21_Percent_in_2012_Predicts_IMS_Research/5
Global PV Installations to Grow by up to 21 Percent in 2012
Predicts IMS Research
For comparison , the entire grid capacity of
the country of Mexico is 53 GW
Introduction, Background and assumptions
about the system
145
18/12/2013
Key Concepts
and Assumptions
•
Follow the typical systematic Installation Procedures
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
•
Assemble and place racks
Mount and connect panels (DC)
Install combiner box (DC)
Connect DC disconnect (may be integrated) (DC)
Connect DC to inverter (DC)
Mount and configure inverter (AC/DC)
Install AC Disconnect (AC)
Connect inverter to grid via electrical center (AC)
Commission and test (AC/DC
Install or activate Monitoring system
You have an approved wiring diagram meeting specifications and
needs of Locations
– Routing, cable lengths, junction locations, fusing etc a
•
You have a complete parts list with prepared components
Electrical diagram:
Generic System
General Schematic
One-line diagram
146
18/12/2013
Sample SMA Wiring Diagram
with external DC Disconnect
Combiner Box
Sample SMA Wiring Diagram
with integrated DC Disconnect
Combiner Box
147
18/12/2013
Sample System
3 strings of 10 panels
250W Siliken
SMA sunny Boy SB7000US
The DC side of Things
148
18/12/2013
Always use components rate
for UL 1703 and IEC standards
Panel Characteristics
Must know VOC, ISC, Vmp Imp Pmp, tolerances under STC and NOTC (preferably)
149
18/12/2013
Characteristics of Panels
in Series
String is a series of panels with predetermined current and voltage output
V = V1 + V2 + …Vn = ∑ Vi
I = I1 = I2 = …In
Choosing Panels for
Series layout
Issue
Voltages for Panels in Series add linearly
Ideally, every series has the same voltage output – but
generally not true
When combining series into Parallel Arrays at a combination
node (such as a combiner box or Inverter input), the voltage at
that node is the weighted average of the series voltages
favoring the lowest voltage present
Important to balance your strings by equalizing the string
voltages as best as possible !
150
18/12/2013
Balancing String Voltage
Layout your panels in a similar environment of illumination & temperature
Measure and Record VOC for each panel – assign a numbering system
WHY measure VOC? Safer and varies little
with changes in illumination
WHEN? Measure during peak hours near
solar noon when solar radiation is changing
slowly
With knowledge of panel characteristics, group them as best you can so each series
will have equal or similar voltage – mix and match high /low performers
Installing panels:
measure as you go!
RETURN LINE
Using return line measure VOC as you
connect panels
Why? To ensure each connection is secure and voltage sums as you go! Panel
interconnect issues are difficult to find after the fact
Make Sure panel connectors and cables are secured to rack
151
18/12/2013
Physical Ground
All panels must have common physical ground and be grounded to racks
Aluminum frames are anodized (resistive)
Most panels provide a ground connection hole
Other technique is to use WEEBs or lugs – electrically connect panel
frames to rack and then ground rack
Combiner boxes:
adding the current of strings
PV COMBINER BOXES ARE CURRENT ADDERS FOR STRINGS IN PARALLEL
Common buss bar
• DC positive inputs
• DC Negative inputs
• Ground
•Single outputs for
Positive, Negative &
ground
Each DC positive input (string) is Recommendation:
fused before common output
Pre-wire the box with
negative/ positive cables
Fuse: 600 VDC with amp rating > with mated connectors
1.45 operating amps
Acts as string switch
152
18/12/2013
DC routing
• Have a DC cable routing plan
– DC is on the roof or remote from inverter
• Best solar cables do not need conduit but
bundle them nicely using UV resistant cable ties
• For esthetics and some codes, use metal
conduit to distribute DC cables
Meeting in the Middle
Connecting DC to the Inverter
153
18/12/2013
DC Disconnects
Stand-alone DC Disconnect Switch
• Fuse: 600 VDC with
Amp rating > 1.45 x operating
amps for each positive lead
Integrated DC Disconnect Switch
(Typically fused inside the inverter)
Connecting DC to Inverter
Disconnect all DC power
Follow Inverter manual to
connect positive, negative and
ground cables*
*Note: some panels are positively
grounded … so pay attention
Turn on DC and measure
voltage at all outputs and inputs
Turn off DC
154
18/12/2013
The AC side of Things
Know your Grid
Know which type of grid you are connecting to
Most inverters are reconfigurable by dip switches
or programming
Line voltages vary so choose the operating output
range that fits your grid conditions
Inverter must be equipped with anti-islanding and
must shutdown upon loss of grid power
(grid connected systems)
155
18/12/2013
The AC connection
AC Disconnect
Main Panel
connection
AC Outputs
AC Disconnect
Fused style
•
Locate AC disconnect near the inverter
-- must be accessible
•
Fuses or Breakers must be compatible
with grid voltage (240 VAC)
•
Amp repeating should be 1.45 x the
output
current
under
operating
conditions
Breaker Style
156
18/12/2013
Connecting to the Grid
Typical 240 VAC Connection
Phase 1
Phase 2
L1
L2
Outputs from Inverter are:
L1, L2 are positive feed lines
Neutral
Physical Ground
Shut off AC power at main switch
Shut off all DC inputs to inverter
Connect Neutral and Physical Ground
Connect L1 to Phase 1 using breaker
Connect L2 to Phase 2 using breaker
or use two pole breakers
** Phase numbering is for convenience
Commissioning
• Check all connections
• Follow manual for startup
• Usual procedure is
– For Startup: Turn on AC First then DC
– For Shutdown: Turn off DC first then AC
• After shutdown, ALWAYS wait 5 to 10 minutes
before opening or working on inverter !!!
• Capacitive load needs to discharge
157
18/12/2013
System monitoring
Bluetooth Monitoring :
Internet, iPhone, iPad …
316
158
18/12/2013
Residential/Commercial
Solar PV installations
Basic information and installation guides for roof mounted systems
Residential Install
Typical roof top
installation uses a rack
mounting system,
panels set in arrays or
“strings” (multiple
panels) and conduit for
interconnection of
panels. Shown here are
Sharp 170s. A cell or
module is a single
silicon unit and
generators 0.5 volts.
159
18/12/2013
Day one of installation
The layout crew will
measure the surface area
of the roof and must
check the exact location of
the roof framing members
beneath. Since the panels
add a tributary load of
between 3-5 psf, this extra
dead load is minimal and
should not require a
structural engineer.
However, the rack system
requires that the anchors
are embedded into the
roof framing, not just the
sheathing.
Track system and mounts
This “standoffs” or spacers of this Pro-Solar system is attached using
5/8” diameter, 3” long lag bolts through the metal roofing, ½” OSB and
penetrating the 2-1/8” wide TJI top chord webs. The holes are premarked and drilled. Henry’s 9000 gutter and flashing sealant is used
to prevent roof leakage.
160
18/12/2013
Racks and vertical supports
The front “rails” will have
small restraining clips to
hold the front of each
panel. The vertical
uprights [shown behind
the rail] will elevate the
panel to the desired angle
for the specific latitude of
the project. The clips are
adjustable from side-toside. For the vertical
support legs (once cut to
the correct length) also
allow the installer to
adjust the tilt of the legs.
This system will be set @
35 degrees (optimal for
Flagstaff)
Racks and vertical supports
Although installation could be done by one individual, a
multi-crew installation makes holding the rails to the
vertical supports much easier. These rails are aluminum
and easy to cut and hold in place.
161
18/12/2013
Racks and connections
The spacing between the solar
PV arrays is critical. As the sun
moves to the maximum height
(azimuth) during the summer
months to a lower height during
the winter months, the panels
must not shade each other.
Partial vertical shading will only
“short circuit” part of a panel;
but horizontal shading will stop
electrical production for the
entire panel and thus the array.
The spacing needs to be done
during the design phase and
prior to any installation. The
legs get minor adjustments
using flat washers to keep the
bars level.
Racks and connections
The alum. “C” channel
shaped rails are connected
together and must have a
grounding bond between
the rails. Charlie is
securing a pre-drilled
connector that will snuggly
clamp two twenty foot
sections together. A
bonding scrap, using a lock
washer straddles the two
channels and is tightened
down. The Weeb splicers
are used as the grounding
is not sufficient with just
the ProSolar splice kit.
162
18/12/2013
Rack installation
The installer works to keep the legs and rails plumb. Care is given during the “setup”
stage to prevent having to disassemble or make major adjustments once the panels
are installed. This system has a total of 33 Sharp 170 watt panels or a maximum
production of 5.61 Kwh. The layout and rack installation took 2-1/2 days to complete
(prior to installing any panels).
First Panels going up
The first panel goes in and
the installers check the
racks for plumb and
alignment. There will be a
total of eleven (11) panels
per array. The Sharp 170
watt panel being used here
is guaranteed for 25 years.
The open current voltage
is 43.2 volts, the Max
power is 34.8 volts, the
Max current is 4.9 amps
and the model efficiency is
13.1% The panels weigh
37.8 pounds each and are
62”x32-1/2”x1-3/4” in
size. (array configuration
depends upon the
maximum size of 600
Volts, DC)
(Price of panels for this installation
was approximately $725 each)
163
18/12/2013
Panel install continues
Panel arrays must be kept at the same angle (when the roof
plane changes) to keep the voltage production the same. Some
adjustments may be required; Kelly, Drew and Chuck are
keeping the first panel square prior to tightening the lags.
Conduit & Conductors
Conduit sizing is covered by Article 690 & 230 of the NEC (City
of Flagstaff is using 2005 NEC). The boxes must be grounded;
so there are several key considerations in using plastic boxes
(weather proofing for snow and water) with metal conduit.
The metal conduit here uses grounding lug end connectors
and “jumper” wires (sized per Code) to keep the grounding
and bonds of the conduit, rails, panels and boxes consistent.
This is all connected to a grounding terminal in the box
adjacent to the inverter. Sizing of the wire should be based
upon the panel voltage requirements.
The proposed system would allow standard 12 gauge wiring;
however, going to the next larger size (10 gauge) is more
efficient and doesn’t cause voltage loss to heat because the
gauge is marginal or undersized. Because this is a metal roof
installation, THWN 90 high heat wiring and insulation were
used.
164
18/12/2013
Wiring & Connections
1
2
3
4
Photos: #1, wire spool
racks with 10 gauge
wiring and color coded
make the pulling of wires
easier. #2, the DC switch
with grounding and lug
terminals are used to
connect the arrays to the
inverter (this is a Sun Boy
6000). #3, junction
boxes and conductors are
elevated above the roof
deck to prevent damming
of leaves and debris
during rain and snow
storms. #4 The conduit
is held up from the
decking with artificial
decking blocks (predrilled) and caulking;
string line keeps system
aligned.
More electrical
Electrician checks grounding between conduit in
plastic boxes.
The inverter needs to be shaded and out of the weather. For this roof top
installation, the Sunny Boy 6000 is mounted under an overhang. The
inverter weighs 145 pounds and comes with a special mounting bracket. The
owner here wanted the entire system secured and used a ¾” plywood backer
that was supported by three vertical studs and secured with 12, evenly
spaced 3” deck screws to hold the weight. The entire mounting board was
painted prior to installation.
165
18/12/2013
Miscellaneous connections
1
3
2
4
The solar panels come
pre-wired with a male
and female plug
system. The panels are
“active” or capable of
producing DC voltage
the minute the sun light
hits the panel.
Photos: #1, solar cell
junction box at back of
panels; #2 cabling for
panels is carefully
tucked into the rack
channels [care to
prevent crimping of
connectors under panel
edges]; #3 lightening
arresting system
installed in junction box
ahead of inverter; #4,
conduit down to photo
voltaic meter at ground
level.
Connection to Service panel
Feed breaker may not
exceed 20% of the panel
service size. This case,
the house service was
200 amps, this limits the
breaker to 40 amps; max.
output for this system is
25 amps. During final
inspection, it was
determined that the
wiring size (10 gauge)
needed to be a double
pole 30 amp fuse or
increase the wire size to
#8s for the 40 amp
breaker. Breaker was
changed.
166
18/12/2013
Conduit from roof to panel
Since this panel is exterior to the house (open to the environment), the panel needs to
be connected through the bottom of the existing service panel. The bare copper wire is
connected to the service panel grounding lug and uses the existing UFER to complete
the ground.
Metering
A digital AC “power” production meter
is installed after the lock out junction
box for the system. The Utility
Company (APS) wants this lock out
accessible without going into a fenced
backyard. The meter must be read
once a year and the information sent to
the Utility Company within 15 days.
The safety requirement for the
metering is to prevent the customer
from “back feeding” the grid system.
If this disconnect wasn’t there and APS
had to work on the lines, then the lines
could be “hot” even though airbreakers had been tripped
167
18/12/2013
Panel labels
Note: More warning labels are required
adjacent to the inverter and DC disconnect
at the roof location. Once APS or the utility
company authorizes the connection to the
grid, a secondary digital meter with remote
reading capability will be added to the
service panel. During a light usage day
and with full sunlight, the service panel
meter will run “backwards”.
APS (servering the Flagstaff Area) will
require the owner of the system to read
this meter once a year and report the total
PV generating quantities. Now that the
applicant is in a generator capacity, a log or
notebook is probably going to be needed!
More details
168
18/12/2013
Key reminders
•
•
•
•
•
•
•
If a solar panel is partially shaded vertically, then it only reduces the panel production by the
percentage of cells shaded; however, shading the top or bottom of a panel horizontally will
“short out” the entire panel and reduce the electricity produced.
One of the leaders in authoring the Article 690, National Electric Code – Bill Brooks of Brooks
Engineering, LLC [[email protected]; 707-332-0761] provides an excellent seminar through
AZBO.
Excellent
source
of
information.
[http://www.solarenergy.org/workshops/solarindustry.html]
Factoid: “silicon” or sand is the 2nd most abundant material on the plant!
When sunlight hits the ground, each square meter (approximately 10 square feet) of earth is
capable of producing 1000 watts. The basic formula is P=V*I (v=voltage and I = intensity or
current).
Factoid: Temperature affect voltage, so voltage increases as temperature drops and is
reduced when it gets hotter. Light affect current (intensity) or the amperes.
Photo voltaic systems are somewhere between 10-15% efficient (without intensifiers). Solar
water heaters (thermal systems) are 40% or greater in efficiency.
One silicon solar cell produces 0.5 volts. Electricity is produced when light knocks loose
electrons from silicon atoms. The freed electrons have extra energy or “voltage”. Cells never
“run out” of electrons.
Common Problem Areas
•
•
•
•
•
•
•
•
Insufficient conductor ampacity and insulation – wiring is undersized for
the load or the insulation type is not designed for hot locations. Roof tops
often exceed 90 (F) degrees.
Excessive voltage drop – DC (direct current) loss because of long distances
to inverter.
Unsafe wiring methods – inexperience by the installer
Lack of or improper placement of over current protection and disconnect
devices
Use of unlisted or improper application of listed equipment (i.e., AC in DC
use)
Lack of or improve equipment or system grounding
Unsafe installation and use of batteries
Improper mounting and connection of equipment and racks
169
18/12/2013
Completed panel array
From the street side, this roof top solar panel generating system (5.61 Kwh) awaits the City
inspection and “green tag”. Once that it completed, APS is scheduled to replace the service panel
meter with a bi-direction digital meter and approve the installation for operation. Then during the
peak months, the owner hopes to run the meter backwards as it generates more than used.
Now what everyone
wants!!!
Click the picture on the left to see the meter in normal operation. Click the
picture on the right to see what happens when the inverter kicks in and you are
on “solar” power!!!
170
18/12/2013
Commercial Applications
•
Key considerations for Commercial jobs is a factor of sizing. Per the NEC,
systems over 600 amps require a design professional (Arizona State
Registrant) to be involved.
•
The following example was for a new commercial grocery store; “New
Frontiers” and the system is rather large at 35 Kwh production
New Frontiers
a 35 kWh system (May 2008)
This system uses
multiple
converters and
several large
arrays of solar
modules (panels)
to produce the
desired
electricity
171
18/12/2013
New Frontiers
array over shed roof (May 2008)
New Frontiers
roof mounted portion
The racking
system for this
installation is
laid flat on the
built up roofing
system. Care
must be taken
to interconnect
the panels
before they are
lowered and
connected.
Obviously,
maintenance to
an interior panel
is more
complex.
172
18/12/2013
New Frontiers
another view
The electrical
boxes (at ends of
panel arrays) and
conduit with
conductors for the
connections to
the inverter
bank(s) are
snaked through a
roof mounted and
protected conduit
(shown in the
foreground).
Photovoltaic meter and APS
disconnect switching box
173
18/12/2013
OBRIGADO PELA ATENÇÃO
Prof. João Ferreira
[email protected]
174