Difference between revisions of "Painel Fotovoltaico"

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= Física =
 
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== Semicondutores ==
 
== 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 \(\Omega \cdot cm\).
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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 ==
 
== 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.
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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 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.
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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 zona de esgotamento, 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 zona de esgotamento, 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, 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, \(I_D\):
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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>
 
<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.
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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 fótons na junção P-N ==
 
== 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:
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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 zona de esgotamento 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>
 
<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 em uma junção p-n iluminada.
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A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.
  
[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]
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[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]
  
 
= Estudos experimentais =
 
= Estudos experimentais =

Revision as of 21:46, 15 October 2019

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 simples 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.

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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 XXXX, 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 POLY-MONO-XXXX-cristalino 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 99 \(\times\) 99
Fotovoltaico 99 \(\times\) 99

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 a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) emitida pelos LEDs das diferentes cores.

LEDs RGB de energia
Cor Potência (unidade!)
Vermelho (R) 999
Verde (G) 999
Azul (B) 999

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 fotovoltaico e LED, como mostra a figura 1;
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 zona de esgotamento.

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 zona de esgotamento, 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 zona de esgotamento, 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 fótons 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 zona de esgotamento 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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Bibliografia

<referências />

Links

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