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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
ESCOLA POLITÉCNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA:
FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES
Rio de Janeiro, RJ – Brasil
Novembro de 2008
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Monopolio trabalho do rio de janeiro
Tipologia: Trabalhos
2017
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
ESCOLA POLITÉCNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA:
FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES
Rio de Janeiro, RJ – Brasil
Novembro de 2008
i
ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA:
FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES
Renata Pereira Braga
PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSARIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Aprovado por:
Jorge Luiz do Nascimento, D.Eng.(Orientador)
José Luiz da Silva Neto, Ph.D.
Sergio Sami Hazan, Ph.D.
Rio de Janeiro, RJ - Brasil
Novembro de 2008
iii
AGRADECIMENTOS
Ao Pai, por todas as oportunidades a mim concedidas.
À minha família, especialmente aos meus pais, pelo amor infinito e apoio incondicional.
Aos amigos que fiz na UFRJ.
Agradeço ao professor Jorge Luiz pela valorosa orientação e dedicação a mim dispensada ao longo da graduação.
Agradeço à Rosane, ex-secretária do DEE, pela enorme paciência e boa vontade em todos os momentos.
E, por fim, agradeço a todos os professores e colaboradores do departamento que, de alguma maneira, contribuíram para a concretização desse sonho.
iv
“Liberdade sem sabedoria é poder sem direção”. Ramatís
vi
- 1 INTRODUÇÃO...................................................................................................... SUMÁRIO - 2 A ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA............................................................. - 2.1 Efeito Fotovoltaico ......................................................................................... - 2.2 Energia Solar Fotovoltaica no Brasil.............................................................. - fotovoltaicos e outras fontes ................................................................................................. 2.3 Comparação entre a geração de energia elétrica através de módulos solares - 2.4 Vantagens e Desvantagens ........................................................................... - 3 A CÉLULA FOTOVOLTAICA........................................................................... - 3.1 Silício Monocristalino .................................................................................. - 3.2 Silício Policristalino ..................................................................................... - 3.3 Silício Amorfo .............................................................................................. - 4 SISTEMA FOTOVOLTAICO ............................................................................. - 4.1 Módulo Fotovoltaico .................................................................................... - 4.1.1 Associação em Paralelo ............................................................................ - 4.1.2 Associação em Série................................................................................. - 4.1.3 Características Elétricas dos Módulos Fotovoltaicos ...............................
- Fotovoltaicos..................................................................................................................... 4.1.4 Fatores que afetam as características elétricas dos Módulos - 4.2 Baterias ......................................................................................................... - 4.2.1 Baterias de Chumbo-Ácido ...................................................................... - 4.2.2 Bateria de Níquel-Cádmio ........................................................................ - 4.2.3 Características ideais para uso em sistemas fotovoltaicos........................ - 4.3 Reguladores (Controladores) de Carga......................................................... - 4.3.1 Características ideais dos controladores de carga..................................... vii
- 4.4 Inversores .....................................................................................................
- 4.5 Outros Componentes ....................................................................................
- 4.6 Configurações de um sistema fotovoltaico...................................................
- 4.6.1 Sistemas Isolados......................................................................................
- 4.6.2 Sistemas Híbridos.....................................................................................
- 4.6.3 Sistemas Interligados à Rede....................................................................
- 4.7 Campos de Utilização...................................................................................
- 4.7.1 Bombeamento de água..............................................................................
- 4.7.2 Eletrificação Rural....................................................................................
- 4.7.3 Refrigeração de Vacinas...........................................................................
- 4.7.4 Estação remota para monitoramento ........................................................
- Fotovoltaicos..................................................................................................................... 4.1.4 Fatores que afetam as características elétricas dos Módulos - 4.2 Baterias ......................................................................................................... - 4.2.1 Baterias de Chumbo-Ácido ...................................................................... - 4.2.2 Bateria de Níquel-Cádmio ........................................................................ - 4.2.3 Características ideais para uso em sistemas fotovoltaicos........................ - 4.3 Reguladores (Controladores) de Carga......................................................... - 4.3.1 Características ideais dos controladores de carga..................................... vii
- transmissão, oleodutos e gasodutos. ................................................................................. 4.7.5 Proteção catódica de estruturas metálicas enterradas, tais como: torres de
- telemetria........................................................................................................................... 4.7.6 Suprimento de energia para estações remotas de telecomunicações e
- 5 DIMENSIONAMENTO.......................................................................................
- 5.1 Escolha dos Painéis ......................................................................................
- 5.2 Dimensionamento das Baterias ....................................................................
- 6 CONCLUSÃO......................................................................................................
- 7 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................
- 5 DIMENSIONAMENTO.......................................................................................
ix Figura 19: Sistema isolado com carga CC sem armazenamento .................................. Figura 20: Sistema isolado com armazenamento e cargas CC. .................................... Figura 21: Sistema isolado sem armazenamento para alimentação de cargas CA. ...... Figura 22: Sistema isolado com armazenamento e seguidor do ponto de máxima potência..................................................................................................................................... Figura 23: Exemplo de configuração de sistema híbrido. ............................................ Figura 24: Sistema integrado à rede. ............................................................................ Figura 25: Sistema fotovoltaico conectado à rede (Fonte: Rüther) .............................. Figura 26: Sistema fotovoltaico em Sumba, Indonésia, capaz de fornecer água potável para 4000 pessoas. .................................................................................................................... Figura 27: Eletrificação rural na Tunísia ......................................................................
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Distribuição de sistemas e de potências nas fases do PRODEEM ............... Tabela 2: Características de sistemas de bombeamento d’água com bombas CC........
xii UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro USP – Universidade de São Paulo
1 INTRODUÇÃO
O crescimento contínuo da população e do consumo de energia à escala mundial, associado à natureza finita dos combustíveis fósseis e à poluição gerada pela sua queima, questiona o atual modelo energético. A procura de um modelo baseado no desenvolvimento sustentável a longo prazo tem motivado interesse crescente por formas de energia mais limpas e renováveis, de modo a permitir a satisfação das necessidades energéticas, sem alterar de maneira acentuada as condições de vida no planeta. É nesse contexto que se insere a energia solar fotovoltaica, que é uma forma de geração de energia capaz de suprir, com inúmeras vantagens sobre as formas tradicionais de geração, determinadas necessidades. O presente Projeto justifica-se pelo interesse que as fontes renováveis de energia como um todo tem despertado em toda sociedade, em todos os cantos do planeta, posto que o crescimento desenfreado da do número de habitantes do planeta, hoje estimado em quase sete bilhões, e o consumo intensivo de recursos fósseis evidenciam, cada vez mais, a natureza finita dos mesmos. Se, por um lado, tal fato causa certa preocupação acerca do futuro da Terra, que a muitos parece nebuloso, por outro tem servido como fonte inspiradora para que sejam buscados novos meios de geração e produção de energia que exerçam pouca ou nenhuma agressão ao meio-ambiente. Este Projeto de Graduação tem por objetivo, portanto, fornecer uma visão ampla e concisa acerca de características e aplicações de sistemas de energia solar fotovoltaica, e sua importância estratégica no contexto social e econômico global, servindo, também, como fonte de consulta para alunos do curso de graduação em Engenharia Elétrica.
não é respeitada. Alguns dos defeitos que acompanham a estrutura imperfeita são compensados com átomos de hidrogênio. Filmes muitos finos de silício amorfo hidrogenados são suficientes para a fabricação de células solares relativamente eficientes. Outros materiais como arseneto de gálio e filmes finos de CdS-Cu 2 S, e CdS-InP estão sendo pesquisados. Estes filmes finos não têm sido fabricados com células discretas, mas são depositados diretamente em um substrato, tal como uma lâmina de vidro ou metal, sendo relativamente mais baratos que as pastilhas de silício. Os principais eventos na história do desenvolvimento dos equipamentos de conversão de energia solar fotovoltaica são descritos abaixo:
(1839) Efeito Fotovoltaico (Becquerel); (1870) Efeito Fotovoltaico estudado em sólidos; (1880) Construção da primeira célula fotovoltaica; (1950) Início das pesquisas para aplicações práticas; (1954) Primeira célula fotovoltaica de silício; (1973) Estudo de novas aplicações.
Em laboratório, é possível a fabricação de células solares de silício cristalino com até 27% de eficiência de conversão; as produzidas industrialmente apresentam uma eficiência da ordem de 15 a 18 %. No caso do silício amorfo hidrogenado, obtêm-se de 10 a 12 % de eficiência em laboratório, e de 7 a 8 % nos módulos produzidos maciçamente. Porém seu custo de fabricação é menor que o das células de silício cristalino. Muitos laboratórios no mundo estão empenhados em desenvolver tecnologias que otimizem os parâmetros de custo e eficiência.
A eletricidade solar fotovoltaica é considerada uma tecnologia energética promissora. As células solares convertem diretamente a energia solar - a mais abundante fonte de energia renovável - em eletricidade. O processo de geração, executado por dispositivos semicondutores, não tem partes móveis, não produz cinzas nem outros resíduos e, por não liberar calor residual, não altera o equilíbrio da biosfera. Como não envolve queima de combustíveis, evita por completo o efeito estufa. Uma vez que os sistemas são modulares, a eletricidade solar fotovoltaica tem múltiplas aplicações: os módulos necessários à geração da potência requerida podem ser rapidamente instalados. A ampliação da potência é obtida pela simples adição de módulos. Os sistemas são freqüentemente usados nas telecomunicações, como em repetidoras de microondas. Nos países em desenvolvimento as aplicações ideais encontram-se nas áreas isoladas ou distantes das redes de distribuição de energia elétrica: comunicações, bombeamento de água, processamento de alimentos, sistemas de refrigeração, sinalização automática ou eletrificação de cercas. A geração de grandes potências, da ordem de dez megawatts, tem sido empreendida com sucesso nos EUA. Na Europa e no Japão, centrais menores alimentam as redes comerciais, permitindo economia de combustíveis fósseis. Até o momento, o quilowatt-hora de origem solar custa de dois a quatro vezes mais que o produzido por métodos convencionais. Porém, à medida que as tecnologias evoluem, esses custos tendem a diminuir e espera-se, que num futuro próximo, possam competir com os de geração de eletricidade pela queima de combustíveis fósseis ou nucleares, o que permitirá a expansão de suas aplicações. A descoberta de novos materiais e tecnologias além da adoção de escalas maciças de produção poderá fazer da conversão fotovoltaica uma das fontes energéticas mais convenientes para a humanidade.
energia, pode-se deslocá-lo para a faixa de condução. Diz-se que o fósforo é um dopante doador de elétrons e denomina-se dopante N ou impureza N. Se, por outro lado, forem introduzidos átomos com apenas três elétrons de ligação, como é o caso do boro, haverá uma falta de um elétron para satisfazer as ligações com os átomos de silício da rede. Esta falta de elétron é denominada buraco ou lacuna e ocorre que, com pouca energia térmica, um elétron de um sítio vizinho pode passar a esta posição, fazendo com que o buraco se desloque. Diz-se, portanto, que o boro é um dopante receptor (aceitador) de elétrons e denomina-se dopante P ou impureza P.
(Fonte: http://www.cresesb.cepel.br/tutorial/solar/images/Image89.gif, em 12/11/2008)^ Figura 2: Corte transversal de uma célula fotovoltaica
Partindo de um silício puro e introduzindo-se em uma face átomos de boro e, em outra, átomos de fósforo, forma-se uma junção PN. O que ocorre nesta junção é que elétrons livres do lado N passam ao lado P onde encontram os buracos que os capturam. Isto faz com que haja um acúmulo de elétrons no lado P, tornando-o negativamente carregado e uma
redução de elétrons do lado N, que o torna eletricamente positivo. Estas cargas aprisionadas dão origem a um campo elétrico permanente que dificulta a passagem de mais elétrons do lado N para o lado P. Este processo alcança um equilíbrio quando o campo elétrico forma uma barreira capaz de barrar os elétrons livres remanescentes no lado N. Se a junção PN for exposta a fótons com energia maior que o gap (faixa proibida), ocorrerá uma geração de pares elétrons-lacuna. Se isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas serão aceleradas, gerando assim, uma corrente através da junção. Este deslocamento de cargas dá origem a uma diferença de potencial (efeito fotoelétrico). Se as duas extremidades do "pedaço" de silício forem conectadas por um fio, haverá uma circulação de elétrons. Esta é a base do funcionamento das células fotovoltaicas. A Figura 3 exibe a representação gráfica de como o efeito fotovoltaico se dá dentro de uma célula fotovoltaica, desde a movimentação inicial de elétrons, até a geração de corrente.
(Fonte: http://www.vivercidades.org.br/publique222^ Figura 3: Efeito fotovoltaico na junção PN, acesso em 12/11/2008)