Painel Fotovoltaico

Descrição da experiência

Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus.

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa, renovável e de rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injetada na rede elétrica.

O experimento atual pretende estudar vários fatores que afetam as características, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico específico. Para isso, um painel de LED fixo contendo vários LEDs RGB foi usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico, que pode girar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo o estudo de como essa quantidade afeta a tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Essa configuração simples permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em um ambiente real, contribuindo para o entendimento dos desafios e detalhes relacionados a esse uso.

Links

• Vídeo: rtsp: //elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
• Laboratório: Intermediário em elab.tecnico.ulisboa.pt
• Sala de controle: Mag_3D
• Gravação
• Grau: **

Aparato Experimental

Descrição

| thumb | Fig. 2 - Representação esquemática do experimento. | direita | borda | 250px

O aparato experimental utilizado para o presente experimento é composto por três componentes principais:

Painel de LED

um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizado em uma grade de 18 x 9. Cada um desses LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.

Painel fotovoltaico:

um painel fotovoltaico cristalino POLY-MONO-XXXX montado no topo de um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um servo motor que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre o LED e os painéis fotovoltaicos.

Resistor de carga variável:

o painel fotovoltaico está conectado a um resistor variável que atua como a carga sendo alimentada pelo painel. O valor dessa resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaicos podem ser vistas na tabela a seguir.

+ Dimensões dos painéis (cm)

- LEDs RGB

99 \ (\ times \) 99

- Fotovoltaico

99 \ (\ times \) 99

Uma representação esquemática do experimento é mostrada na figura 2. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico em 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED está atingindo o painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, tornando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o usuário deve levar em consideração que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) que compõem cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Dessa forma, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) Emitida pelas cores dos vários LEDs.

+ LEDs RGB de energia

- Cor

Potência (unidade!)

-

Vermelho (R) 999

- Verde (G) 999

- Azul (B) 999

Configuração

O usuário pode definir os seguintes parâmetros experimentais: Intensidade vermelha (R):

De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;

Intensidade verde (G):

De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;

Intensidade azul (B):

De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;

Ângulo

De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura XXXX;

Resistor de carga:

De 1 a 100, essa quantidade é proporcional ao resistor de carga conectado ao painel fotovoltaico;

Além disso, o experimento pode ser executado de três modos diferentes: Varredura de ângulo:

o painel fotovoltaico é girado de -20º a 100º com etapas do 1º, mantendo constante a cor selecionada e o resistor de carga;

Varredura do resistor de carga

o valor do resistor de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo a cor e o ângulo selecionados constantes;

Findmax do resistor de carga

para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor do resistor de carga que maximiza a energia extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

Resultados

Após o início do experimento, é retornada uma tabela com a data / hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor do resistor de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente no resistor de carga e o energia total consumida neste resistor.

Além disso, o aplicativo permite a visualização em tempo real dos dados que estão sendo coletados.

Física

Semicondutores

As células solares são baseadas em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 \ (\ Omega \ cdot m \), o que significa que não é um condutor nem um isolador. Um semicondutor puro pode ser dopado adicionando íons de impureza específicos, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 elétrons de valência, os íons dopantes de impureza de menor valência se tornarão aceitadores de elétrons e as impurezas de maior valência se tornarão doadores de elétrons. Para o primeiro caso, se não houver elétrons livres, estados de carga positiva serão produzidos; estes são conhecidos como orifícios e movem-se através do material atuando como transportadores majoritários. No caso de doadores de elétrons, haverá um excesso de elétrons livres que atuam como portadores majoritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica são em torno de 10 \ (\ Omega \ cdot cm \).

Junções P-N

Quando um material do tipo p entra em contato com um material do tipo n, é criada uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de elétrons doador do material do tipo n se move para o material do tipo p aceitador e os orifícios em excesso do material do tipo p se movem para o material do tipo n, o que acontece até que um estado estacionário seja alcançado. Sob esse estado, o campo elétrico causado pelo acúmulo de cargas de sinal oposto em cada lado da junção equilibra as forças difusivas decorrentes das diferentes concentrações de elétrons e orifícios livres. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n, é criada uma zona sem portadores majoritários. Essa zona é chamada de zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de elétrons e orifícios podem ser gerados espontaneamente a partir de estados ligados, principalmente devido à excitação térmica. Quando essas transportadoras são geradas ou são capazes de se difundir na zona de depleção, elas são puxadas eletrostaticamente para baixo em seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, \ (I_g \). Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de exaustão, existe uma corrente de recombinação reversa \ (I_r \), que resulta da recombinação de elétrons e orifícios provenientes de diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação de buraco de elétron corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção. Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, não haverá corrente líquida porque \ (I_r = I_g \). No entanto, se for aplicado um viés externo positivo, direto na junção \ (V_b \), a corrente de recombinação será \ (I_r = I_g \ cdot e ^ {eV_b / k_B T} \), o que resultará em uma corrente líquida no escuro, \ (I_D \):

[math] I_D = I_r - I_g = I_g \ cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) [/math]

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo, com a única diferença que, em um diodo, \ (I_g \) é substituído por \ (I_0 \), a corrente de saturação.

Absorção de fótons na junção P-N

Quando uma junção p-n é exposta à radiação eletromagnética, um processo de formação de um buraco de elétron causa sua absorção. Como visto anteriormente, essa formação de um par de elétrons-orifícios resulta na criação de dois portadores de carga. Se a criação dessa portadora de carga ocorrer perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de exaustão impedirá a recombinação e produzirá uma corrente, \ (I_L \), em um circuito conectado externamente. Essa corrente é muito maior que a corrente resultante da geração térmica de pares elétron-buraco já presentes, o que faz com que a junção p-n se comporte como fonte de corrente. A corrente líquida produzida é dada por:

<= I_D - I_L = I_g \ cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes em uma junção p-n iluminada.

| thumb | Fig. 3 - Diferentes correntes existentes em uma junção p-n iluminada. | centro | 350px

Estudos experimentais

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Bibliografia

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Links

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