Difference between revisions of "Painel Fotovoltaico"

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= Descrição da experiência =
 
= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]
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[[File:Pv panel photo.jpg||thumb|Fig. 1 - Aparato experimental utilizado composto pelo painel de leds tricolores, painel fotovoltaico amorfo e controlador. |right|border|300px]]
  
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.
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A energia solar fotovoltaica <ref>Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Antonio Luque; Steven Hegedus (editores), 2011, 2ª Edição John Wiley & Sons.
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</ref> 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.
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A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência produzida por 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 de carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os impactos 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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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.
  
 
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'''Links'''
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'''Ligações'''
 
<div class="mw-collapsible-content">
 
<div class="mw-collapsible-content">
  
*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
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*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/fotovoltaico.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
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*Laboratório: Básico no [http://elab.tecnico.ulisboa.pt elab]
*Control Room: Mag_3D
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*Sala de controlo: Fotovoltaico
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
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*[https://youtu.be/sUz4NzIqL84 Youtube]
*Grade: **
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*Nível: *
  
 
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= Aparato Experimental =
 
= Aparato Experimental =
  
 
== Descrição ==
 
== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]
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[[File:MatrizLedAzul.jpg||thumb|Fig. 2 - Pormenor do painel de iluminação composto por uma matriz de leds RGB. |right|border|150px]]
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[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 3 - Representação esquemática da experiência onde o painel de leds está fixo e o painel fotovoltaico pode rodar em torno dum eixo, variando deste modo o ângulo de incidência dos raios luminosos. |right|border|200px]]
  
 
O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
 
O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
 
;Painel de LEDs:
 
;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.
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: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB, 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 da cor a ser emitida. Deste modo os resultados permitem determinar também a eficiência do painel para vários comprimentos de onda.
 
;Painel fotovoltaico:
 
;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.
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: 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:
 
;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.
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: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência de valor variável que atua como carga.
  
 
As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.
 
As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.
  
 
{|class = "wikitable"
 
{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
+
|+Dimensões dos painéis (mm)
 
|-
 
|-
|LEDs RGB
+
| LEDs RGB  
|99 \(\times\) 99
+
|145 x 90
 
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Fotovoltaico
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| Fotovoltaico  
|99 \(\times\) 99
+
|150 x 100
 
|}
 
|}
  
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.
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A figura 3 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, a radiação colectada pelo painel fotovoltaíco é máxima. 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.
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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 à tecnologia relativa à produção de cada led. Deste modo cada comprimento de onda em jogo deve atender a essa correção na emissividade. Para referência, a tabela abaixo mostra essa relação para o fluxo luminoso real (intensidade da radiação no visível) emitido pelos LEDs das diferentes cores.
  
 
{|class = "wikitable"
 
{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
+
|+ Fluxo luminoso para LEDs RGB
 +
|-
 +
|colspan="2"|(Medido com brilho máximo - nivel 255)
 
|-
 
|-
 
|Cor
 
|Cor
|Potência (unidade!)
+
|Fluxo luminoso (lux)
 
|-
 
|-
 
|Vermelho (R)
 
|Vermelho (R)
|999
+
|1080
 
|-
 
|-
 
|Verde (G)
 
|Verde (G)
|999
+
|5780
 
|-
 
|-
 
|Azul (B)
 
|Azul (B)
|999
+
|7320
 
|}
 
|}
  
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: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
 
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
 
;Ângulo:
 
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura 1;
+
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico, como mostrado na figura 2;
 
;Resistência de carga:
 
;Resistência de carga:
 
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;
 
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;
  
 +
[[File:Fotovoiltaico raios.png||thumb|Fig. 4 - Esquema da incidência dos raios luminosos: este caso  distingue-se dos raios solares porque a sua geometria implica que os mesmos não sejam paralelos. Evidenciam-se os vários ângulos possíveis de incidência de um led particular em duas situações distintas de posicionamento do painel. |right|border|250px]]
  
Mais ainda, a experiência pode ser executada de três modos diferentes:
+
Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varredura de ângulo:
+
;Varrimento 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;
+
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas de 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varredura do resistor de carga:
+
;Varrimento da resistência 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;
+
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100% com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Findmax do resistor de carga:
+
;Encontrar a resistência de carga correspondente à máxima potência:
: 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;
+
: 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 similar ao utilizado nos ''Maximum Power Point Tracking'' (MPPT);
  
 
== Resultados ==
 
== 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.
+
Após o início da experiência, é retornada uma tabela dinâmica 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 permitindo determinar indiretamente a potência total consumida nessa resistência (carga).
 
 
Além disso, o aplicativo permite a visualização em tempo real dos dados que estão sendo coletados.
 
  
 +
Deve ser dada particular atenção à propagação de erros na potência pois quer a corrente quer a tensão variam.
  
 +
A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.
  
 
= Física =
 
= Física =
 
== 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 \(\Omega \cdot cm\).
+
Os painéis fotovoltaicos baseiam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma resistividade 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 electrões 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 resistividade 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 região de deplecção.
  
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 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, 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, \(I_D\):
+
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 fotões 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 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>
 
<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 5 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]]
+
[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 5 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]
  
 
= Estudos experimentais =
 
= Estudos experimentais =
  
...
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A execução dos três protocolos experimentais descritos permite a recolha de dados para a caracterização da resposta do painel fotovoltaico. Listam-se de seguida alguns protocolos de estudo.
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===Varrimento do ângulo===
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Variando o ângulo e mantendo constante as condições de iluminação, é possível verificar de que forma varia a potência produzida pelo painel em função do ângulo de iluminação. É importante realçar que na experiência os raios não incidem paralelamente como na radiação solar, pelo que se pode definir um ''ângulo efetivo'' que encompassa um andamento mais lento que o ângulo real. Para determinar o valor efetivo da radiação, ao se ajustar um primeiro modelo senoidal (usando p.ex. o coseno do angulo) há que descobrir o fator multiplicativo do angulo pelo ajuste apropriado da função. Sugere-se usar uma função <math> P_{ger} = A\cos(ganho\cdot \theta)</math> onde o ganho é da ordem da unidade mas sempre maior. Repare-se que na situação da figura 4, estando o painel a 90º, este ainda recebe luz. Caso os raios fossem paralelos, já estaria completamente obscurecido.
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===Varrimento da resistência de carga===
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A máxima transferência de potência entre um gerador (neste caso, o painel) e a sua carga (resistência que dissipa a energia produzida) é obtida quando existe a chamada adaptação de impedância, ou seja, quando a resistência interna do gerador é igual à carga.
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Neste protocolo sugere-se varrer a resistência elétrica da carga. Desse modo, poder-se-á obter a impedância que melhor se adequa em função (i) da intensidade da luz e (ii) do ângulo seleccionados.
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Verifica-se que inicialmente a potência gerada aumenta com a resistência de carga, já que o painel mantém aproximadamente constante a corrente aos seus terminais mas a tensão gerada aumenta. No entanto, a partir de um certo valor de carga, o painel atinge o seu máximo de corrente gerada. Um aumento da carga resulta numa diminuição da tensão aos terminais do painel e, consequentemente, numa diminuição da potência gerada pelo mesmo.
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Este resultado é bastante importante para a operação de um painel fotovoltaico. Verifica-se que, para obter a potência máxima, ou seja, para operar o painel no ponto de maior eficiência, é necessário adaptar a resistência de carga à impedância do painel que se relaciona diretamente com a potência da luz incidente.
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Esta impedância pode ser calculada facilmente através da Lei de Ohm uma vez que se dispõe da tensão e corrente geradas pelo painel.
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===Procura do máximo de potência===
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Executando o protocolo de procura da resistência de carga que gera o máximo de potência é possível obter directamente o valor que maximiza a potência para o ângulo e luminosidade configurados, calculando como explicado na secção anterior, o valor da resistência de carga do penúltimo ponto amostrado.
  
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Utilizando os valores medidos, verifica-se que o máximo ocorre para ~80% podendo ser estudada a influência da cor da radiação (comprimento de onda) e ser determinada a resistência de carga óptima. O valor de resistência de carga que maximiza a potência gerada poderia também ser obtido lendo directamente o gráfico produzido no protocolo anterior.
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 +
===Outros estudos===
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Para além das sugestões anteriores, focadas nos 3 protocolos experimentais, a experiência permite ainda estudar (i) a validade da aproximação de raios paralelos frequentemente utilizada, desenvolvendo um modelo mais completo; (ii) a influência da luz dispersa na experiência e nos resultados obtidos; (iii) a compreensão do funcionamento dos controladores de carga solares (MPPT), propondo outros algoritmos e, por último, (iv) a influência do comprimento de onda na eficiência das células fotovoltaicas.
  
 
= Bibliografia =
 
= Bibliografia =
<referências />
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<references />
  
 
= Links =
 
= Links =
versão pt!
+
 
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*[[Photovoltaic panel | Versão em Inglês (English Version)]]

Latest revision as of 11:24, 19 November 2023

Descrição da experiência

Fig. 1 - Aparato experimental utilizado composto pelo painel de leds tricolores, painel fotovoltaico amorfo e controlador.

A energia solar fotovoltaica [1] 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 produzida por 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 de carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os impactos 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.

Ligações

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

Aparato Experimental

Descrição

Fig. 2 - Pormenor do painel de iluminação composto por uma matriz de leds RGB.
Fig. 3 - Representação esquemática da experiência onde o painel de leds está fixo e o painel fotovoltaico pode rodar em torno dum eixo, variando deste modo o ângulo de incidência dos raios luminosos.

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:

Painel de LEDs
um painel fixo contendo 162 LEDs RGB, 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 da cor a ser emitida. Deste modo os resultados permitem determinar também a eficiência do painel para vários comprimentos de onda.
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 de valor variável que atua como carga.

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

Dimensões dos painéis (mm)
LEDs RGB 145 x 90
Fotovoltaico 150 x 100

A figura 3 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, a radiação colectada pelo painel fotovoltaíco é máxima. 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 à tecnologia relativa à produção de cada led. Deste modo cada comprimento de onda em jogo deve atender a essa correção na emissividade. Para referência, a tabela abaixo mostra essa relação para o fluxo luminoso real (intensidade da radiação no visível) emitido pelos LEDs das diferentes cores.

Fluxo luminoso para LEDs RGB
(Medido com brilho máximo - nivel 255)
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;
Fig. 4 - Esquema da incidência dos raios luminosos: este caso distingue-se dos raios solares porque a sua geometria implica que os mesmos não sejam paralelos. Evidenciam-se os vários ângulos possíveis de incidência de um led particular em duas situações distintas de posicionamento do painel.

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 de 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 a 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 similar ao utilizado nos Maximum Power Point Tracking (MPPT);

Resultados

Após o início da experiência, é retornada uma tabela dinâmica 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 permitindo determinar indiretamente a potência total consumida nessa resistência (carga).

Deve ser dada particular atenção à propagação de erros na potência pois quer a corrente quer a tensão variam.

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

Física

Semicondutores

Os painéis fotovoltaicos baseiam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma resistividade 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 electrões 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 resistividade 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 5 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.

Fig. 5 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada.

Estudos experimentais

A execução dos três protocolos experimentais descritos permite a recolha de dados para a caracterização da resposta do painel fotovoltaico. Listam-se de seguida alguns protocolos de estudo.

Varrimento do ângulo

Variando o ângulo e mantendo constante as condições de iluminação, é possível verificar de que forma varia a potência produzida pelo painel em função do ângulo de iluminação. É importante realçar que na experiência os raios não incidem paralelamente como na radiação solar, pelo que se pode definir um ângulo efetivo que encompassa um andamento mais lento que o ângulo real. Para determinar o valor efetivo da radiação, ao se ajustar um primeiro modelo senoidal (usando p.ex. o coseno do angulo) há que descobrir o fator multiplicativo do angulo pelo ajuste apropriado da função. Sugere-se usar uma função [math] P_{ger} = A\cos(ganho\cdot \theta)[/math] onde o ganho é da ordem da unidade mas sempre maior. Repare-se que na situação da figura 4, estando o painel a 90º, este ainda recebe luz. Caso os raios fossem paralelos, já estaria completamente obscurecido.

Varrimento da resistência de carga

A máxima transferência de potência entre um gerador (neste caso, o painel) e a sua carga (resistência que dissipa a energia produzida) é obtida quando existe a chamada adaptação de impedância, ou seja, quando a resistência interna do gerador é igual à carga.

Neste protocolo sugere-se varrer a resistência elétrica da carga. Desse modo, poder-se-á obter a impedância que melhor se adequa em função (i) da intensidade da luz e (ii) do ângulo seleccionados.

Verifica-se que inicialmente a potência gerada aumenta com a resistência de carga, já que o painel mantém aproximadamente constante a corrente aos seus terminais mas a tensão gerada aumenta. No entanto, a partir de um certo valor de carga, o painel atinge o seu máximo de corrente gerada. Um aumento da carga resulta numa diminuição da tensão aos terminais do painel e, consequentemente, numa diminuição da potência gerada pelo mesmo. Este resultado é bastante importante para a operação de um painel fotovoltaico. Verifica-se que, para obter a potência máxima, ou seja, para operar o painel no ponto de maior eficiência, é necessário adaptar a resistência de carga à impedância do painel que se relaciona diretamente com a potência da luz incidente.

Esta impedância pode ser calculada facilmente através da Lei de Ohm uma vez que se dispõe da tensão e corrente geradas pelo painel.

Procura do máximo de potência

Executando o protocolo de procura da resistência de carga que gera o máximo de potência é possível obter directamente o valor que maximiza a potência para o ângulo e luminosidade configurados, calculando como explicado na secção anterior, o valor da resistência de carga do penúltimo ponto amostrado.

Utilizando os valores medidos, verifica-se que o máximo ocorre para ~80% podendo ser estudada a influência da cor da radiação (comprimento de onda) e ser determinada a resistência de carga óptima. O valor de resistência de carga que maximiza a potência gerada poderia também ser obtido lendo directamente o gráfico produzido no protocolo anterior.

Outros estudos

Para além das sugestões anteriores, focadas nos 3 protocolos experimentais, a experiência permite ainda estudar (i) a validade da aproximação de raios paralelos frequentemente utilizada, desenvolvendo um modelo mais completo; (ii) a influência da luz dispersa na experiência e nos resultados obtidos; (iii) a compreensão do funcionamento dos controladores de carga solares (MPPT), propondo outros algoritmos e, por último, (iv) a influência do comprimento de onda na eficiência das células fotovoltaicas.

Bibliografia

  1. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Antonio Luque; Steven Hegedus (editores), 2011, 2ª Edição John Wiley & Sons.

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