Conceitos básicos de um Sistema Fotovoltaico

Histórico

A conversão direta da energia solar em eletricidade é obtida graças ao efeito fotovoltaico, que é a base do funcionamento das células solares. Os materiais usados são os semicondutores sendo o mais utilizado o silício, que é também o material básico para a indústria eletrônica.
O efeito fotovoltaico foi primeiro observado por Edmond Becquerel, em 1839, quando descobriu que certos materiais produzem pequenas quantidades de corrente elétrica quando expostos à luz. Em 1876 foi concebido o primeiro dispositivo fotovoltaico, porém somente em 1956 foi iniciada a produção industrial com a corrida espacial. Em 1978 a produção industrial de módulos fotovoltaicos já alcançava a marca de 1 MW/ano. Mas foi nos últimos anos que houve um crescimento significativo da produção mundial: 1995-80 MW/ano, 2000-280 MW/ano, 2004-1.250 MW/ano com expectativa de mais de 2.600 MW em 2006.

O Sistema Fotovoltaico

Um sistema fotovoltaico de energia funcionando isoladamente é composto por um conjunto de módulos fotovoltaicos e por um conjunto de equipamentos complementares, incluindo baterias, controladores de carga e inversores. Esses componentes variam de acordo com a aplicação do sistema fotovoltaico. Os módulos fotovoltaicos geram eletricidade em corrente contínua. As baterias armazenam a eletricidade obtida da luz solar durante o dia, possibilitando o funcionamento das lâmpadas e dos aparelhos elétricos à noite ou em períodos nublados. O controlador de carga é instalado entre os módulos e as baterias para gerenciar o processo de carga e descarga das baterias, evitando que as mesmas sejam sobrecarregadas ou descarregadas além de limites pré-determinados, aumentando assim sua vida útil. O inversor é necessário em um sistema fotovoltaico quando necessitamos alimentar cargas em corrente alternada. O inversor transforma a corrente contínua em corrente alternada, podendo, portanto, alimentar os aparelhos eletro-eletrônicos convencionais.

Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados em autônomos e interligados à rede. Os autônomos podem se dividir naqueles que só fornecem corrente continua, aqueles que fornecem corrente alternada e ainda existem aqueles que fornecem ambas as correntes.

Os sistemas autônomos produzem eletricidade independentemente de outras fontes de energia. Existem sistemas autônomos utilizados para bombeamento de água, sendo a água armazenada no reservatório para utilização no instante do consumo. Os sistemas autônomos com armazenamento são utilizados onde se necessita alimentar cargas à noite ou em períodos nublados. Os sistemas autônomos compreendem a maioria das aplicações de sistemas fotovoltaicos em regiões remotas ao redor do mundo sendo a eletrificação rural a mais difundida.

Os sistemas autônomos podem operar em conjunto com uma outra fonte geradora de energia (geradores eólicos, diesel etc.). Em certas situações podem ser mais econômicos que os sistemas fotovoltaicos puros no fornecimento de eletricidade em projetos isolados de maior escala. Um sistema fotovoltaico, complementado por outra fonte de energia, requer menor potência instalada de painéis fotovoltaicos e baterias, podendo reduzir os custos totais.

Os sistemas interligados à rede são aqueles em que o arranjo de módulos fotovoltaicos atua como uma fonte de energia complementar ao sistema elétrico ao qual está conectado. Esses sistemas não utilizam armazenamento de energia, pois toda a energia gerada durante o dia é entregue à rede e, durante a noite ou em períodos nublados, dela é extraída a energia necessária para alimentar as cargas.

Na Europa, Estados Unidos e Japão os sistemas interligados à rede são a principal aplicação atual dos sistemas fotovoltaicos. Existem vários projetos em desenvolvimento, principalmente nos países desenvolvidos. Podemos destacar pela grande potencia instalada a Alemanha, o Japão, os Estados Unidos e a Espanha. Os incentivos financeiros oferecidos pela legislação destes países tornam atrativa a construção integrada de sistemas fotovoltaicos nos chamados telhados solares, gerando soluções arquitetônicas estéticas e viáveis economicamente. Além disso, existem grandes centrais geradoras com potencias instaladas de vários MWp. A maior parte dos módulos fotovoltaicos fabricados no mundo se destina para este tipo de aplicação.

O Módulo Fotovoltaico

A célula solar é o dispositivo mais importante do sistema fotovoltaico, visto que é responsável pela conversão da energia solar em energia elétrica. Uma célula solar é, basicamente, um sanduíche contendo uma grade metálica, uma lâmina que coleta os raios solares, uma lâmina absorvedora dos fótons e um contato metálico posterior.

Fundamentalmente, este sanduíche é fabricado de modo a conter em seu interior um campo elétrico que permita separar os portadores de carga elétrica gerados pela luz. Nas células solares de silício cristalino, o campo elétrico interno é fabricado por processos de contaminação controlada e seletiva do material semicondutor. As impurezas mais comumente utilizadas são o fósforo (na camada coletora, semicondutor do tipo-n) e o boro (na camada absorvedora, semicondutor do tipo-p) , que permitem construir internamente a barreira de potencial desejada.

A corrente elétrica produzida é coletada pelos contatos metálicos nas superfícies. As células solares normalmente são quadradas ou redondas dependendo do processo de fabricação utilizado. Esta corrente depende da intensidade da radiação solar e da área iluminada. A tensão gerada é apenas uma fração de Volt. A célula solar mais comumente utilizada, de silício cristalino, possui uma tensão de trabalho de aproximadamente 0,5 V.

Para uma utilização pratica é necessário conectar várias células em série. Este conjunto de células conectadas é chamado módulo fotovoltaico. Normalmente, são utilizadas de 30 a 36 células de silício cristalino em cada módulo, dependendo do local onde os sistemas serão instalados (clima frio ou quente). Assim, quando um módulo de 12 V é exposto ao sol, ele gera energia elétrica em corrente contínua, com tensão máxima variando entre 17 e 21 V.

Para carregar uma bateria de 12 V, devido às perdas em cabos e diodos, os módulos devem gerar em torno de até 16 V. Para proteger as células solares, os módulos são encapsulados com materiais plásticos (E.V.A. ou P.V.B.). O lado onde a radiação incide é coberto com vidro temperado e a parte posterior com plástico Tedlar. Finalmente, o módulo é emoldurado com uma estrutura de alumínio anodizado, que lhe dá rigidez e tudo isto o protege contra as intempéries. Normalmente os fabricantes dão uma garantia de 10 a 25 anos (uma garantia típica é de 25 anos para o nível de produção de energia e 10 anos contra defeitos de fabricação), porém espera-se que a vida útil dos módulos fabricados de silício cristalino seja superior a isso.

Estão em desenvolvimento módulos fotovoltaicos cujas células solares não são fabricadas de silício (monocristalino, policristalino ou silício amorfo hidrogenado), tais como: disseleneto de cobre e índio (CIS), telureto de cádmio (CdTE), dentre outros.
Um número variado de módulos, por sua vez, pode ser conectado eletricamente até se alcançar a potência desejada, dependendo da quantidade de energia elétrica a ser consumida e da insolação do local, formando um painel fotovoltaico. Os módulos podem ser ligados em série ou em paralelo dependendo da corrente e tensão desejadas. A ligação em série dos módulos fotovoltaicos é feita do terminal positivo de um módulo a um terminal negativo de outro módulo, enquanto as conexões em paralelo compreendem ligações de terminais de mesma polaridade. Por exemplo sistemas fotovoltaicos para iluminação, TV/vídeo, refrigeração, de médio porte são conectados para operar em tensões de 12 V ou 24 V. Sistemas de bombeamento d’água trabalham normalmente em tensões superiores.

Características Elétricas dos Módulos Fotovoltaicos

Quando o módulo está exposto ao Sol, ele gera energia elétrica em corrente contínua, dependendo da intensidade da radiação solar e da temperatura ambiente.
A capacidade de um módulo fotovoltaico é dada pela potência de pico em Wp. A condição padrão para determinação desta potência é definida para o módulo exposto a uma radiação solar de 1000 W/m2 (radiação recebida na superfície da Terra em dia claro, ao meio dia) e temperatura da célula de 25°C. Pode-se comparar estas condições a um dia ensolarado mas muito frio, ao meio dia, com o Sol a pino, sem nuvens e temperaturas amenas, o que é difícil de obter. Existem vários outros parâmetros elétricos de um módulo, porem o mais importante é a potência que reflete, por exemplo, a capacidade de um conjunto de módulos carregar as baterias (para suprimento de cargas tais como lâmpadas, TV/vídeo etc. à noite ou em períodos chuvosos) ou encher um reservatório d’água (no caso de bombeamento d’água) o mais rápido possível.

A potência elétrica é o produto tensão x corrente. As medidas de tensão e corrente de um módulo podem ser desenhadas em um gráfico, que é chamado Curva IxV ou curva característica do módulo (veja a figura ilustrativa abaixo).

A corrente elétrica depende da irradiação solar variando significantemente com a variação da intensidade da luz. A tensão elétrica é fortemente influenciada pela temperatura. O aumento da intensidade da luz incidente no módulo aumenta a temperatura das células, diminuindo a tensão do módulo, e conseqüentemente reduzindo sua eficiência. A tensão diminui significativamente com o aumento da temperatura enquanto que a corrente sofre uma redução muito pequena. É importante enfatizar que não há geração de potência para as condições de circuito aberto, Voc (porque a corrente é zero) e curto circuito, Isc (porque a tensão é zero). Conseqüentemente existe somente uma tensão e uma corrente para a qual a potência máxima, Pm, é extraída. A corrente correspondente a tensão de potência máxima é chamada a corrente de potência máxima (Imp). O ponto de potência máxima (Pm) é o ponto da curva IxV para o qual a máxima potência é extraída. Este ponto corresponde ao produto da tensão de potência máxima (Vmp) e corrente e potência máxima (Imp), dado por: Pm = Imp x Vmp

Portanto, os cinco parâmetros utilizados pelos fabricantes para especificar a característica elétrica de seus módulos, sob determinadas condições de radiação solar, temperatura ambiente e massa de ar são: potência máxima (Pm), tensão e corrente de potência máxima (Vmp, Imp), tensão de circuito aberto (Voc) e corrente de curto circuito (Isc). A eficiência do módulo também é importante.

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