Painel Fotovoltaico

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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.

Fotovoltaico
Dimensões dos painéis (cm)
LEDs RGB 99 \(\times\) 99
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 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:

[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.

Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction.

Estudos experimentais

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Bibliografia

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Links

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