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.

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

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Links