Energia solar fotovoltaica - Apostila para formação de técnicos instaladores de...
Antonio Subida | comentários
Arquivado no curso de Engenharia de Energia na ISEP
CÉLULAS DE BARREIRA DE SHOTTKY São células cuja junção é induzida quando um contacto de metal é aplicado à superfície do silício dopado. Como resultado das propriedades electrónicas dos dois materiais, os portadores são distribuídos de cada um dos lados da junção de tal maneira que é induzido um campo de base dentro da superfície do silício. Este campo é idêntico ao da junção P-N. A vantagem desta célula é o facto de não necessitar de uma camada colectora dopada à superfície, embora necessite da grelha metálica no topo, já que o metal deposto tem uma resistência demasiado elevada para colectar a corrente das células.
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CÉLULAS DE JUNÇÃO SULCADA Esta célula é muito eficaz, com eficiências medidas de mais de 20%. A sua principal vantagem é a baixa resistência perto dos contactos quer frontais quer posteriores. Os portadores de carga estão também separados e são colectados com grande eficiência por causa das numerosas e pouco distantes junções. O efeito de sombra é grande. Esta célula tem como interesse elevado a técnica dos concentradores solares. Esta técnica pretende concentrar a luz solar em células de alto desempenho, utilizando para isso lentes ou similares. Se conseguirmos concentrar a luz 100 vezes, necessitamos apenas de 1 por cento das células para produzir a mesma quantidade de energia. O mesmo princípio é utilizado para gerar fogo com uma lupa em um dia ensolarado. Como o silício tem desempenhos baixos a altas temperaturas leva a que alguns destes sistemas necessitem de refrigeração. Outro dos problemas é que, numa série de células foto-voltaicas, se uma estiver com um funcionamento deficiente e tiver a tensão baixa, a tensão do conjunto também será baixa.
CÉLULAS DE CAMADA INVERSORA Esta célula tem uma eficiência actualmente de 17% e um alto potencial voltaico. Foi descoberto que uma camada de monóxido de silício depositada em silício tipo p revestido de SiO2 (dióxido de silício) induz uma junção perto do topo do silício tipo p. O vapor de monóxido de silício perde electrões à medida que solidifica, pelo que a camada fica com carga positiva. Esta camada positiva empurra os poucos electrões livres no silício tipo p para a interface entre o Si e o SiO2, fazendo com que a região se comporte como se fosse silício tipo n. Uma vez que a camada por baixo do SiO2 se torna do tipo n e a maior parte do silício é tipo p, uma junção p-n é induzida no silício. Quando a célula é iluminada, a junção separa os electrões e as lacunas tal como uma junção p-n normal (os electrões gerados pela luz têm energia suficiente para atravessar o SiO2 e entrarem dentro dos contactos de metal). Outra variante desta célula é dopar levemente o topo do silício tipo p com dopante tipo n antes de aplicar o SiO2 e o SiO. Isto ajuda a mobilidade dos portadores (menos resistência na camada superior) enquanto aumenta a tensão na junção p-n. As vantagens destas células residem na relativa facilidade de manipular o SiO e o SiO2, a junção induzida num material relativamente pobre em lacunas (menos dopagem significa menos defeitos da rede), e potencial para altas tensões e elevadas eficiência.
CÉLULA DE CONTACTO POSTERIOR INTER-DIGITADA Este dispositivo não possui contactos frontais e evita o efeito de sombra por completo. Na célula inter-digitada, as muitas pequenas regiões do silício tipo p+ e n+ altamente dopadas actuam como colectores de portadores de carga – electrões movem-se para dentro do lado n+ e as lacunas para dentro do lado p+. Os campos à volta das regiões dopadas são criados de uma forma idêntica a outras junções (p-n ou Schottky) através do re-arranjo dos portadores de carga. Os portadores de carga são gerados no todo da célula acima das junções. A maior parte do material é silício tipo p. A principal vantagem da célula é a eliminação do efeito de sombra. O desenho cuidadoso das regiões dopadas pode também diminuir a resistência, que é importante em 1 Se se cobrir uma célula solar ou parte de um módulo solar a corrente eléctrica é travada nesse sítio. O efeito é parecido quando há uma dobra numa mangueira. sistemas concentrados. Foi já obtido um alto rendimento (acima de uma eficiência de 17%), no entanto o custo de fabrico ainda não é competitivo.
Vista em corte de um painel fotovoltaico onde se mostram os contactos metálicos frontais
Factores que influenciam o rendimento Os principais factores que influenciam o rendimento da energia fotovoltaica são:
Reflexão Uma grande parte da radiação que atinge o painel fotovoltaico é reflectida, isto deve-se à camada de vidro colocada na parte superior do painel e aos eléctrodos frontais.
Desadaptação espectral Para radiações com comprimentos onda λ> 10 nm não haverá lugar à produção de pares electrões-lacunas. Isto porque a energia de um fotão é inferior à energia necessária para que o electrão salte da valência para a de condução.
Recombinação dos pares electrões-lacunas Após geração de um electrão livre, este pode não contribuir para corrente porque antes se recombina com uma lacuna, como se pode ver pela figura acima;
Aumento de temperatura O aumento da temperatura da célula faz com que o rendimento do módulo diminuía, assim baixando os pontos de operação para potência máxima gerada. Como é mostrado na figura abaixo.
Tensão [V] Efeito causado pela temperatura na célula.
* Pontos de operação para a potência máxima gerada
A geração directa de energia eléctrica a partir da energia radiante fornecida pelo sol faz-se através de um módulo electrónico formado por elementos geradores – as células foto-voltaicas. Os módulos ou painéis fotovoltaicos actuais são formados de células feitas de silício. Cada célula gera corrente contínua com cerca de 0,5 V de tensão.
As células comerciais podem ser de três tipos de tecnologia:
Células de silício mono-cristalino
Correspondem à primeira geração desta tecnologia. Estas células obtêm-se a partir de barras cilíndricas de silício mono-cristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas quadradas finas (0,4-0,5 m de espessura).São caracterizadas por um rendimento energético de conversão elevado (23% em laboratório e 16-18% disponível nos módulos comerciais). As técnicas de produção são complexas e caras e requerem grande quantidade de energia no seu processo de fabrico, devido à exigência de se usarem materiais em elevado estado de pureza. (superior a 9,999 %). São as de preço mais elevado
Células de silício poli-cristalino
Correspondem à segunda geração desta tecnologia. Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de bocados de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura poli-cristalina com superfícies de separação entre os cristais. São caracterizadas por um rendimento energético de conversão médio (18% em laboratório e 1-13% disponível nos módulos comerciais). As técnicas de produção ainda são complexas e caras mas requerem menos energia no seu processo de fabrico do que as mono-cristalinas. O seu preço é intermédio.
Células de silício amorfo ( não cristalino )
Correspondem à terceira geração desta tecnologia. Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício sobre superfícies de vidro ou metal. São caracterizadas por um rendimento energético de conversão baixo (13% em laboratório e 8-10% disponível nos módulos comerciais). As células de silício amorfo são películas muito finas, permitindo a sua utilização em superfícies flexíveis e superfícies de materiais cerâmicos aplicados na construção como as telhas e painéis de paredes. São as que têm menor preço.
Rendimento eléctrico comparado das várias tecnologias do silício
Rendimento TípicoMáximo registado em aplicações
Rendimento máximo registado em laboratório
Vantagens e Desvantagens da Tecnologia Fotovoltaica A tecnologia solar fotovoltaica apresenta um grande número de vantagens: Alta fiabilidade e durabilidade Não tem peças móveis, o que é muito útil em aplicações em locais isolados e tem uma vida útil superior a 15 anos (típico 20-25 anos)
A fácil portabilidade e adaptabilidade dos módulos Permite montagens simples e adaptáveis a várias necessidades energéticas. Os sistemas podem ser dimensionados para aplicações de alguns miliwatt ou de megawat;
O custo de operação é reduzido A manutenção é quase inexistente ao longo do seu período de vida: não necessita combustível, transporte, nem trabalhadores altamente qualificados;
Qualidades ecológicas A tecnologia fotovoltaica apresenta um produto final que não é poluente, que é silencioso e que quando correctamente estudada a sua localização não perturba o ambiente.
No entanto esta tecnologia apresenta também algumas desvantagens:
Custo de investimento elevado O fabrico dos módulos fotovoltaicos necessita tecnologia muito sofisticada com linhas de montagem de capital intensivo que necessita de uma amortização e retorno muito rápidos rápidos pelo facto dos ciclos tecnológicos associados estarem presentemente em menos de 2 anos.
Rendimento real de conversão reduzido O rendimento dum módulo é baixo (o limite teórico máximo numa célula de silício cristalino é de 28%), o que face ao custo do investimento e à duração actual dos ciclos tecnológico é um desincentivo para os investidores privados.
Pouca competitividade com outras tecnologias de geração de energia Os geradores fotovoltaicos raramente são competitivos do ponto de vista económico, face a outros tipos de geradores. A excepção restringe-se a casos onde existam reduzidas necessidades de energia em locais isolados e / ou em situações de grande preocupação ambiental; Quando é necessário proceder ao armazenamento de energia sob a forma química (baterias), o custo do sistema fotovoltaico torna-se ainda mais elevado.
Dependência das condições atmosféricas Ou seja, a corrente gerada nos módulos aumenta linearmente com o aumento da Intensidade luminosa, como se verifica no gráfico anteriormente referido.
CAPÍTULO 2 – MÓDULOS OU PAINÉIS SOLARES FOTO-VOLTAICOS
O painel solar, o primeiro componente de um sistema eléctrico de energia solar, é uma associação de células de silício que geram electricidade a partir da luz solar e a disponibilizam com características de tensão e corrente adequadas aos consumidores. Uma única célula solar produz apenas cerca de 0,5 Volt. Nos módulos ou painéis comerciais produzidos industrialmente, as células foto-voltaicas são conectadas em série e em paralelo de forma que na
sua saída a energia eléctrica tenha as característica de tensão e corrente necessários para a sua aplicação, sendo os valores típicos na indústria dos painéis solares: 12V, 24V e 48 V por painel, com potências desde 10 a 320 W. Por exemplo, um painel típico 12 volts de cerca de 63cm por 137cm conterá 36 células ligadas em série para produzir cerca de 17 volts pico. Se o painel solar for configurado para 24 Volt de saída, haverá 72 células de modo a constituir dois grupos de 12 Volt com 36 células cada, conectados em série, geralmente com um "jumper", proporcionando uma saída de 24 Volt. Quando em carga (por exemplo a carregar baterias,) esta tensão cai para 12 a 14 Volt (nos painéis de 12 Volt nominais), resultando a potência em 75 a 100 Watt para um painel desse tamanho. A produção dos módulos em WattxHora é calculada para 5 horas de insolação (luminosidade) por dia. Logo após sua instalação o módulo começa a gerar energia. É só conectar o módulo ao sistema de armazenamento de energia: a sua bateria, ou ao ponto de consumo e pronto: ENERGIA GRATUITA! Nas aplicações mais comuns são associados diversos módulos conforme a necessidade de tensão e corrente dos pontos de utilização da energia eléctrica. No fabrico procura-se dar ao módulo rigidez na sua estrutura, isolamento eléctrico e resistência aos factores climáticos. Por isso, as células conectadas em série são encapsuladas num plástico elástico (Etil-vinil-acelato) que faz também o papel de isolante eléctrico, um vidro temperado com baixo conteúdo de ferro, na face voltada para o sol, e uma lamina plástica multi-camada (Poliéster) na face posterior. Em alguns casos o vidro é substituído por uma lamina de material plástico transparente. O módulo completo tem uma moldura metálica normalmente em de alumínio ou poliuretano e caixas de conexão ou termina conectores às quais chegam os terminais positivo e negativo da série de células. Nos bornes ( terminais ) das caixas conectam-se os cabos que ligam o módulo ao sistema.
Etapas do processo de fabricação do módulo: a)Ensaio eléctrico e classificação das células b)Interconexão eléctrica das células. c)Montagem do conjunto. Colocação das células soldadas entre camadas de plástico encapsulante e laminas de vidro e plástico. d)Laminação do módulo. O conjunto é processado numa máquina semi-automática a alto vácuo que, por um processo de aquecimento e pressão mecânica, conforma o laminado. e)Curagem. O laminado processa-se num forno com temperatura controlada no qual completa-se a polimerização do plástico encapsulante e alcança-se a adesão perfeita dos diferentes componentes. O conjunto, depois da curagem, constitui uma única peça. f)Emolduramento. Coloca-se primeiramente um selante elástico em todo o perímetro do laminado e a seguir os perfis de alumínio que formam a moldura. Usam-se máquinas pneumáticas para conseguir a pressão adequada. As molduras de poliuretano são colocadas por meio de máquinas de injecção. g)Colocação de terminais, bornes ( terminais ), díodos e caixas de conexões. h)Ensaio final
Ensaio dos módulos Sobre os módulos deve medir-se e observar-se: a) Características eléctricas operacionais b)Isolamento eléctrico (a 3000 Volt de C.C.) c)Aspectos físicos, defeitos de acabamento, etc d)Resistência ao impacto e)Resistência à tracção das conexões f)Resistência à névoa salina e à humidade ambiente g)Comportamento a temperatura elevadas por períodos prolongados (100 graus Celsius durante 20 dias) h)Estabilidade às mudanças térmicas (de -40º C a +90º C) em ciclos sucessivos
Os painéis solares são geradores eléctricos amigos do ambiente
Os painéis solares geram energia solar, convertendo a luz em electricidade sem partes móveis, com zero emissões de CO2 e quase sem manutenção.