Painel Fotovoltaico

Descrição da experiência

Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado.

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

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar 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 estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

Links

• Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/fotovoltaico.sdp
• Laboratório: Básico no elab
• Sala de controlo: Fotovoltaico
• Nível: *

Aparato Experimental

Descrição

Fig. 2 - Representação esquemática da experiência.

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:

Painel de LEDs

um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo SMD5050, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes 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 montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.

Resistência de carga variável

o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

Dimensões dos painéis (cm)

LEDs RGB	14.5 \(\times\) 9
Fotovoltaico	15 \(\times\) 10

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre o fluxo luminoso (intensidade da radiação visível) emitido pelos LEDs das diferentes cores.

Fluxo luminoso para LEDs RGB

Cor	Fluxo luminoso (lux)
Vermelho (R)	1080
Verde (G)	5780
Azul (B)	7320

Configuração

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:

Intensidade vermelho (R)

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

Intensidade verde (G)

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

Intensidade azul (B)

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

Ângulo

De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico, como mostrado na figura 2;

Resistência de carga

De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:

Varrimento de ângulo

o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;

Varrimento da resistência de carga

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

Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência

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

Resultados

Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

Física

Semicondutores

Os paineis fotovoltaicos baseam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 \(\Omega \cdot m\), indicando que este material não é um condutor nem um isolante. Um semicondutor puro pode ser dopado através da adição de iões de impurezas específicas, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 electrões de valência, os iões dopantes de impurezas de menor valência tornam-se aceitadores de elctrões e as impurezas de maior valência tornam-se dadores de electrões. Para o primeiro caso, se não houver electrões livres, produzem-se estados de carga positiva, conhecidos como buracos, que se movem através do material e actuam como portadores maioritários. No caso dos dadores de electrões, existe um excesso de electrões livres que actuam como portadores maioritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica encontram-se em torno de 10 \(\Omega \cdot cm\).

Junções P-N

Quando um material do tipo p entra em contacto com um material do tipo n, forma-se uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de electrões do material do tipo n (dador) move-se para o material do tipo p (aceitador) e os buracos em excesso do material do tipo p movem-se para o material do tipo n. Esta movimentação de cargas ocorre até que um estado estacionário seja alcançado. Neste estado, o campo elétrico causado pela acumulação de cargas de sinais opostos em cada um dos lados da junção equilibra a difusão decorrente das diferentes concentrações de electrões livres e buracos. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n é criada uma zona sem portadores maioritários - a região de deplecção.

Em tal junção, pares de livres e buracos podem ser espontaneamente gerados a partir de estados ligados, principalmente devido a excitação térmica. Quando tais portadores são gerados ou são capazes de se difundir para a região de deplecção, são puxadas electrostaticamente de acordo com os seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, \(I_g\). Para manter o equilíbrio geral de corrente na região de deplecção, existe uma corrente de recombinação inversa \(I_r\), que resulta da recombinação de electrões e buracos provenientes dos diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação electeão-buraco corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção. Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, a corrente total é nula porque \(I_r = I_g\). No entanto, se uma polarização externa positiva for aplicada à junção \(V_b\), a corrente de recombinação é \(I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} \), o que resulta numa corrente total 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. A única diferença é que, num diodo, \(I_g\) é substituído por \(I_0 \), a corrente de saturação.

Absorção de fotões na junção P-N

Quando uma junção p-n é exposta a radiação eletromagnética, um processo de formação de pares electrão-buraco é responsável pela maior parte da sua absorção. Como anteriormente visto, a formação destes pares resulta na criação de dois portadores de carga. Quando a criação de tais portadores ocorre perto de uma junção p – n, o campo interno na região de deplecção impede a sua recombinação e produz uma corrente, \(I_L \), num circuito conectado externamente. Esta corrente é muito maior do que a corrente resultante da geração térmica de pares electrão-buraco já presente, fazendo com que a junção p-n se comporte como uma fonte de corrente. A corrente total produzida é dada por:

[math] I = 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 numa junção p-n iluminada.

Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada.

Estudos experimentais

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Links

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