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ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
2379EE2
2º semestre de 2017
Prof. Alceu Ferreira Alves
www4.feb.unesp.br/dee/docentes/alceu/2379.htm
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22379EE2 Energia Solar FV – Prof. Alceu Ferreira Alves – 2017
Na última aula:
• Energia solar – complementos da teoria – radiação
• Massa de ar – Irradiação diária
• Célula fotovoltaica – funcionamento – Tecnologias
• Módulos – Características elétricas
• Curvas características
• Condições Padrão de Teste (STC, NOTC)
• Associação de módulos
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• Filme sobre a fabricação de módulos fotovoltaicos
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Módulos PV – Condições de Teste
• Condições Padrão de Teste (STC – Standard Test Conditions)
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Massa de Ar (AM – air mass)
• A radiação solar que chega à superfície da Terra depende da espessura e da composição da atmosfera (partículas)
• A espessura depende da distância do trajeto percorrido pelos raios solares
• Trajeto Ângulo zenital do Sol
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Massa de Ar (AM – air mass)
𝑨𝑴 =𝟏
𝒄𝒐𝒔𝒁
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Massa de Ar (AM – air mass)
𝑨𝑴 =𝟏
𝒄𝒐𝒔(𝟒𝟖, 𝟓°)= 𝟏, 𝟓
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Massa de Ar (AM – air mass)
• Por que usar AM1,5?
• AM1,5 corresponde ao comportamento médio da radiação solar ao longo de 1 ano nos países temperados do hemisfério norte
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Massa de Ar (AM – air mass)
• AM1,5 inclui EUA, Europa e Ásia – pioneiros em FV
• Zona tropical z é menor, AM é menor, há mais luz e calor ao longo do ano (maior insolação)
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Medidas de Energia Solar (revisando)
• Irradiância: taxa na qual a energia solar atinge uma unidade de área (J/s.m2 W/m2 W.m–2)Irradiância também é conhecida por radiância
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Medidas de Energia Solar (revisando)
• Radiação: integral da irradiância para um determinado período de tempo (W.h/m2) Radiação também é conhecida por irradiação ou insolação
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Orientação dos Módulos Fotovoltaicos
• Raios solares Ondas eletromagnéticas que chegam à Terra em linha reta (paralelas)
• Desvios Embora a maior parcela da energia prossiga em linha reta, parte dos raios são desviados: difusão, reflexão
• Incidência É diferente a inclinação nos diferentes pontos do planeta (depende da posição relativa Terra/Sol)
• Radiação difusa Aleatória e irregular
• Radiação direta Orientação adequada maximiza a captação
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Mapa Solarimétrico – Brasil
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Orientação – ângulo azimutal solar
• Obs. No hemisfério Sul, o ângulo azimutal solar é medido em relação à orientação NORTE
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Orientação – ângulo azimutal solar
• Ângulo azimutal solar Varia continuamente ao longo do dia (desde o nascente até o poente)
• Observador no Hemisfério Sul Olhando para o norte, (Equador) verá o Sol à sua direita pela manhã e à sua esquerda durante a tarde
• Ângulo azimutal nulo É observado ao meio-dia solar (que pouco coincide com o meio-dia civil)
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Orientação dos Módulos Fotovoltaicos
• Melhor orientação no Hemisfério Sul Norte geográfico (para painéis FV sem rastreamento)
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Orientação dos Módulos Fotovoltaicos
• Norte geográfico é diferente do Norte magnético
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Orientação dos Módulos Fotovoltaicos
Por muito tempo se pensou que o norte geográfico e o norte magnético eram um só.
Em 1831, o explorador inglês James Ross verificou que não eram iguais ao chegar ao Ártico e ver que a bússola apontava para o chão, o norte magnético.
O norte geográfico resulta do movimento de rotação da Terra;
O norte magnético é o resultado do campo magnético gerado pelo movimento do metal fundido do núcleo externo em torno do núcleo metálico sólido da Terra.
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Orientação dos Módulos Fotovoltaicos
Uma agulha imantada aponta sempre para o polo norte magnético e, de modo aproximado, para o norte geográfico.
O ângulo entre o norte magnético e o geográfico reflete a declinação magnética do lugar e varia geralmente de 20 a 30 graus.
Como o campo magnético varia com o tempo, atualmente em São Paulo a diferença entre os dois nortes é de 23 graus.
Pela convenção física, o polo magnético norte estaria situado no sul da Terra e vice-versa. Para evitar essa confusão, convencionou-se chamar de polo norte magnético o polo que está próximo ao polo norte geográfico, o mesmo ocorrendo com o polo sul.
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Orientação dos Módulos Fotovoltaicos
• Como encontrar o Norte geográfico?
• Subtrai-se o ângulo de correção do norte indicado pela bússola, dependendo da sua localização, corrigindo no sentido horário para um observador no Brasil (Hemisfério Sul)
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Inclinação dos Módulos Fotovoltaicos
• Declinação Ângulo dos raios solares em relação ao plano do Equador (devido à inclinação do eixo da Terra)
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Declinação
• Solstícios Declinação máxima
• Equinócios Declinação zero (raios solares paralelos ao plano do Equador)
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Altura Solar
Devido à declinação, a cada dia do ano o Sol descreve uma diferente trajetória (aparente) no céu
• Inverno A altura solar é menor (Sol ‘mais baixo’) ângulo zenital maior massa de ar maior menor insolação
• Verão A altura solar é maior (Sol ‘mais alto’) ângulo zenital menor massa de ar menor maior insolação
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Altura Solar
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Altura Solar – definição
ângulo definido entre o plano da trajetória aparente do Sol no céu e o plano horizontal (gs)
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Ângulo de Incidência Solar – b
Ângulo de Inclinação do Painel – a
Obs. Melhor aproveitamento solar: b = 0°
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Ângulo de Inclinação dos Módulos FV
• Maioria dos Sistemas Ângulo a fixo: é preciso escolher a melhor inclinação para máxima captação
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Ângulo de Inclinação dos Módulos FV
• Maioria dos Sistemas Ângulo a fixo: é preciso escolher a melhor inclinação para máxima captação
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Ângulo de Inclinação dos Módulos FV
• É possível escolher o perfil de captação ao longo do ano
maximizada ao longo do ano com poucas variações
maximizada no inverno
maximizada no verão
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Ângulo de Inclinação dos Módulos FV
Latitude do Local de
Instalação
Ângulo de Inclinação
Recomendado
0° a 10° a = 10°
11° a 20° a = latitude
21° a 30° a = latitude + 5°
31° a 40° a = latitude + 10°
41° ou mais a = latitude + 15°
Fonte: “Installation and Safety Manual of the Bosch Solar Modules”
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Orientação dos Módulos Fotovoltaicos
• Como encontrar o Norte geográfico?
• Usando o site www.heavens-above.com
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Exercício
• Calcular os ângulos azimutal, zenital solar e ângulo de altura solar na hora atual
• Calcular a massa de ar ao meio-dia solar de hoje, na sua localização atual.
• Calcular o ângulo de inclinação ideal (a) para um painel fotovoltaico a ser instalado na sua localização atual.
• Calcular os ângulos b e g, considerando a hora atual e o melhor ajuste do ângulo a.
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Módulos PV – Características Elétricas
• Tensão Nominal: é a tensão padrão do módulo.
• Tensão de Máxima Potência (Vmpp): é a tensão máxima que o módulo gerará, em seu ponto de máxima potência (STC).
• Tensão em Circuito Aberto (Voc): é tensão máxima que o módulo fornece em vazio (sem carga)
• Corrente em Máxima Potência (Imp): corrente máxima que um módulo pode fornecer a uma carga.
• Corrente de Curto Circuito (Isc): corrente máxima que o módulo fornece com seus terminais em curto circuito.
• Potência Máxima (PM): a potência máxima na curva I-V para dada condição de teste.
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Efeito da Radiação na Geração FV
• Corrente do Módulo depende diretamente da irradiância
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Efeito da Temperatura na Geração FV
• Aumento na Temperatura reduz a tensão fornecida pelo módulo e, consequentemente, a potência gerada
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Efeito da Temperatura na Geração FV
• Coeficiente de Temperatura necessário para estimar a tensão mínima e a tensão máxima de um arranjo fotovoltaico, devido à variação da temperatura das células fotovoltaicas (verão/inverno)
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Efeito da Temperatura na Geração FV
• Caso não seja fornecido o Coeficiente de Temperatura há uma tabela de valores “genéricos” para estimar a tensão mínima e a tensão máxima
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Sombreamento
• Em situação normal de funcionamento, o módulo fotovoltaico está recebendo radiação solar, as junções PN estão reversas e a incidência de fótons provoca DDP e corrente elétrica
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Sombreamento
• Sob determinadas condições, se parte do módulo fotovoltaico receber uma sombra, uma ou mais células fotovoltaicas se comporta como diodo diretamente polarizado
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Sombreamento
• Nessa situação, dependendo da corrente que circula pela carga, o material semicondutor sombreado pode se aquecer a ponto de ser danificado pelo calor
• O local danificado é chamado de “ponto quente” (hot-spot)
• O dano é permanente
• Isso acontece quando, ao invés de gerar, o módulo recebe corrente
• Se o sistema operar com baterias, a corrente pode ser muito alta e destruir o módulo fotovoltaico
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Diodo de Desvio• By-pass diode Diodo de desvio ou de passagem, evita que
excesso de corrente passe na célula com polarização inversa devido ao sombreamento, protegendo-a (normalmente aplicado a um conjunto de células, em geral 18 ou 20)
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Diodos de Bloqueio
• Diodo de bloqueio normalmente usado em sistemas que utilizam bateria, evitam que o painel se torne uma carga para a bateria, descarregando-a rapidamente (normalmente aplicado a cada string)
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Diodos de Bloqueio
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Sistemas Fotovoltaicos – classificação
• Sistemas Isolados (off-grid)
• Sistemas Conectados à Rede (on-grid ou grid-tie)
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Sistemas Fotovoltaicos – classificação
• Sistema Isolado não é conectado à rede de distribuição• Pode ser Híbrido ou Autônomo (Puro)• Sistema autônomo pode ter armazenamento (ou não)
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Sistemas Fotovoltaicos
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Sistemas Fotovoltaicos
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Sistemas Fotovoltaicos
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• Sistema Isolado não é conectado à rede de distribuição
• Pode ser Híbrido ou Autônomo (Puro)
• Sistema autônomo pode ter armazenamento (ou não)
• Sem armazenamento Ex.: bomba d’água
• Com armazenamento Ex.: iluminação
• Sistema autônomo CA aplicações domésticas (rural)
• Sistema autônomo CC sistemas de comunicação em
locais distantes
Sistema Fotovoltaico Off-grid
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Sistema Fotovoltaico On-grid
• Sistema Conectado à Rede é conectado à rede de distribuição
• O potencial gerado é injetado na rede
• A rede age como uma carga, absorvendo a energia
• Geralmente não utilizam sistemas de armazenamento
• Dependem de regulamentação e legislação, porque usam a rede
de distribuição das concessionárias