Sistema Solar Fotovoltaico
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Como funciona o Sistema Solar Fotovoltaico?

A grande magnitude da energia térmica do Sol torna-a uma fonte de energia altamente apelativa. Esta energia pode ser convertida diretamente em eletricidade e energia térmica de corrente contínua. A energia solar é uma fonte de energia limpa, abundante e inesgotável e renovável disponível na Terra. Os painéis solares ou sistemas solares fotovoltaicos usando painéis (painéis SPV) são dispostos em telhados ou em fazendas solares de tal forma que a radiação solar cai sobre os painéis solares fotovoltaicos para facilitar uma reação que converte a radiação solar em eletricidade.

A energia solar pode ser utilizada para alimentar um único edifício ou pode ser utilizada em escala industrial. Quando usado em pequena escala, a eletricidade extra pode ser armazenada em uma bateria ou alimentada na rede elétrica. A energia solar é ilimitada e a única limitação é a nossa capacidade de a converter em electricidade de uma forma rentável. Pequenos painéis solares fotovoltaicos calculadoras de energia, brinquedos e caixas de chamadas telefónicas.

Definição do sistema solar fotovoltaico

Um sistema solar fotovoltaico converte energia solar em energia eléctrica tal como uma bateria converte energia química em energia eléctrica ou um motor de automóvel converte energia química em energia mecânica ou um motor eléctrico (num veículo eléctrico, EV) converte energia eléctrica em energia mecânica. Uma célula SPV converte energia solar em energia eléctrica. Uma célula solar não produz electricidade utilizando o calor do sol, mas os raios de luz incidentes interagem com os materiais semicondutores para produzir electricidade.

A eletricidade pode ser definida como o fluxo de elétrons. Como é que os sistemas solares fotovoltaicos criam este fluxo? Geralmente, a energia tem de ser fornecida para afastar os electrões do núcleo dos átomos. Os elétrons de valência (isto é, aqueles na casca externa do átomo) têm os níveis mais altos de energia dos elétrons que ainda estão ligados aos seus átomos pais, (pois eles estão longe do núcleo, em comparação com os elétrons da casca interna). É necessária energia adicional para remover completamente um electrão do átomo, por isso, os electrões livres têm níveis de energia superiores aos dos electrões de valência.

Fig1. Energy band diagram

A figura acima mostra um diagrama de banda de energia, que mostra dois níveis de energia, uma banda de valência e uma banda de condução. Os elétrons de valência estão localizados na banda de valência e os elétrons livres na banda de condução superior. Nos semicondutores, existe um intervalo entre as bandas de valência e de condução. Portanto, deve ser fornecida energia para que os elétrons de valência vão para a banda de condução. Isto significa que deve ser fornecida energia para remover os electrões de valência dos seus átomos parentais para se tornarem electrões livres.

O que são sistemas solares fotovoltaicos?

Quando o silício puro está a uma temperatura de 0 K (0 graus Kelvin é – 273°C ), todas as posições nas cascas de electrões exteriores estão ocupadas, devido às ligações covalentes entre os átomos e não há electrões livres. Portanto, a banda de valência está completamente cheia e a banda de condução está completamente vazia. Embora os elétrons de valência tenham a maior energia, eles requerem a menor energia para remover do átomo (energia de ionização). Isto pode ser ilustrado com um exemplo de um átomo de chumbo. Aqui a energia de ionização (de um átomo gasoso) da remoção do primeiro elétron é de 716 kJ/mol e a necessária para o segundo elétron é de 1450 kJ/mol. Os valores equivalentes para Si são 786 e 1577 kJ/mol.

Cada elétron movendo-se para a banda condutora deixa um local vago(chamado buraco) na ligação de valência. Este processo é chamado de geração de pares de electrões. Um buraco num cristal de silício pode, como um electrão livre, mover-se sobre o cristal. Os meios pelos quais o buraco se move são os seguintes: Um electrão de uma ligação perto de um buraco pode facilmente saltar para o buraco, deixando para trás uma ligação incompleta, ou seja, um novo buraco. Isto acontece rapidamente e frequentemente – os elétrons das ligações próximas mudam de posição com furos, enviando furos aleatória e erraticamente através do sólido; quanto mais alta a temperatura do material, mais agitados os elétrons e furos e mais eles se movimentam.

A geração de electrões e furos por luz é o processo central no efeito fotovoltaico global, mas não produz, por si só, uma corrente. Se não houvesse outro mecanismo envolvido numa célula solar, os electrões e furos gerados pela luz vagueariam aleatoriamente pelo cristal durante algum tempo e depois perderiam termicamente a sua energia à medida que regressavam às posições de valência. Para explorar os elétrons e furos para produzir uma força elétrica e uma corrente, outro mecanismo é necessário – uma barreira “potencial” embutida.* Uma célula fotovoltaica tem duas bolachas finas de silício coladas juntas e fixadas a fios metálicos.

Durante o fabrico dos lingotes, o silício é pré-docado antes de ser cortado e enviado. A dopagem nada mais é do que adicionar impurezas à pastilha de silício cristalino para torná-la eletricamente condutiva. O silicone tem 4 elétrons no revestimento externo. Estes materiais dopantes positivos (tipo p) são invariavelmente Boro, que tem 3 elétrons (trivalente) é chamado de portador positivo (Aceitador) Dopant. O dopante negativo (tipo n) é o fósforo, que tem 5 elétrons (pentavalente) é chamado de dopanteportador negativo (Doador).

Uma célula fotovoltaica contém uma camada de barreira que é montada por cargas elétricas opostas, uma de cada lado de uma linha divisória. Esta barreira potencial separa seletivamente os elétrons gerados pela luz e os furos, enviando mais elétrons para um lado da célula, e mais furos para o outro. Assim separados, os elétrons e orifícios são menos propensos a se unirem novamente e perderem sua energia elétrica. Esta separação de carga estabelece uma diferença de tensão entre as duas extremidades da célula, que pode ser usada para acionar uma corrente elétrica em um circuito externo.

Quando uma célula fotovoltaica é exposta à luz solar, feixes de energia luminosa conhecidos como fótons podem derrubar alguns dos elétrons da camada P inferior de suas órbitas através do campo elétrico configurado na junção P-N e para a camada N. A camada N, com seu excesso de elétrons, desenvolve um fluxo de um excesso de elétrons, que produz uma força elétrica para empurrar os elétrons adicionais. Estes elétrons em excesso, por sua vez, são empurrados no fio metálico de volta para a camada P inferior, que perdeu alguns de seus elétrons. Assim, a corrente eléctrica continuará a fluir até que os raios solares incidam sobre os painéis.

O sistema solar fotovoltaico só pode ser ligeiramente eficiente em termos energéticos

As actuais células do sistema solar fotovoltaico convertem apenas cerca de 10 a 14 por cento da energia radiante em energia eléctrica. Por outro lado, as fábricas de combustíveis fósseis convertem de 30-40 por cento da energia química do seu combustível em energia eléctrica. A eficiência de conversão de fontes de energia eletroquímica é muito maior, de 90 a 95%.

O que é Eficiência de Conversão do Sistema Solar Fotovoltaico?

Eficiência de um dispositivo = Saída de energia útil / Entrada de energia

No caso do sistema solar fotovoltaico a eficiência é de cerca de 15%, o que significa que se tivermos uma superfície celular de 1m2 para cada 100 W/m2 de radiação incidente, apenas 15 W seriam entregues ao circuito.

Eficiência da célula SPV = 15 W/ m2/ 100 W/m2 = 15 %.

No caso das baterias de chumbo-ácido podemos diferenciar dois tipos de eficiência, a eficiência coulombic (ou Ah ou ampere-hora) e a eficiência energética (ou Wh ou watt hour). Durante um processo de carga que converte energia eléctrica em energia química, a eficiência Ah é de cerca de 90% e a eficiência energética é de cerca de 75%.

Sistema solar fotovoltaico funcionando priniciple

Fabricação de células do sistema solar fotovoltaico

A matéria prima é o segundo quartzo (areia) mais abundante disponível. O quartzo é um mineral amplamente distribuído. Tem muitas variedades que consistem principalmente de sílica ou dióxido de silício (SiO2) com pequenas frações de impurezas como lítio, sódio, potássio e titânio.
O processo de fabricação de uma célula solar a partir de uma bolacha de silício envolve três tipos de indústrias
a.) Indústrias que produzem células solares a partir de quartzo
b.) Indústrias que produzem bolachas de silício a partir de quartzo e
c.) Indústrias que produzem células solares a partir de bolachas de silício

Como são feitas as pastilhas de silício no sistema solar fotovoltaico?

Como primeiro passo, o silício puro é produzido pela redução e purificação do dióxido de silício impuro em quartzo. Processo Czochralski (Cz): A indústria PV usa atualmente duas rotas primárias para converter matéria-prima de polissilício bruto em pastilhas acabadas: a rota monocristalina usando o processo Czochralski (Cz), e a rota multi-cristalina usando o processo de solidificação direcional (DS). As principais diferenças entre estas duas abordagens estão em como o polissilício é derretido, como é formado em um lingote, o tamanho do lingote e como os lingotes são moldados em tijolos para o corte do wafer.

  • Processo Czochralski (Cz): O método Cz cria um lingote cilíndrico, e isto é seguido por múltiplos passos de serragem de fita e fio para produzir pastilhas. Para um cadinho típico de 24″ de diâmetro carregado com um peso inicial de cerca de 180 kg, são necessárias aproximadamente 35 horas para derreter o polissilício num cadinho Cz, mergulhar o cristal de semente no derretimento e puxar o pescoço, ombro, corpo e cone final. O resultado é um lingote Cz cilíndrico com uma massa de 150-200 kg. Para deixar metais e outros contaminantes para trás, é necessário deixar 2-4 kg de resíduos de panelas no cadinho.
  • Processo de solidificação direcional (DS): As pastilhas multi-cristalinas de DS são fabricadas a partir de lingotes mais curtos, mas muito mais largos e pesados – cerca de 800 kg- que assumem uma forma de cubo quando o polissilício é fundido dentro de um cadinho de quartzo. Após o polissilício ser derretido, o processo DS é induzido pela criação de um gradiente de temperatura onde a superfície inferior do cadinho é resfriada a uma certa velocidade. Similar aos lingotes Cz, seções de lingotes de DS produzidos durante o corte e a quadratura podem ser refundidas para gerações posteriores de lingotes. No caso de lingotes DS, no entanto, a secção superior geralmente não é reciclada devido à elevada concentração de impurezas.

Como o processo começa com um cadinho de fusão em forma de cubo, os lingotes e bolachas DS têm uma forma naturalmente quadrada, facilitando a criação de células multi-cristalinas que podem ocupar essencialmente toda a área dentro de um módulo completo. São necessárias cerca de 76 horas para produzir um lingote típico de silício DS, que é serrado em 36 tijolos a partir de um recorte de 6 x 6. Um tijolo acabado típico tem uma secção transversal quadrada de 156,75 mm x 156,75 mm (246 cm2 de superfície) e uma altura de 286 mm, que rende 1.040 wafers por tijolo quando a espessura do wafer é de 180 µm e há 95 µm de perda de kerf por wafer. Assim, são produzidas 35.000-40.000 bolachas por lingote DS.

Bibliografia
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. Princípios e Métodos FV Básicos NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
3. http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html#:~:text=To%20make%20solar%20cells%2C%20the,carbon%20dioxide%20and%20molten%20silicon.
4. Woodhouse, Michael. Brittany Smith, Ashwin Ramdas, e Robert Margolis. 2019. Custos de Fabricação do Módulo Fotovoltaico de Silício Cristalino e Preços Sustentáveis: Roteiro de Redução de Custos e Benchmark 1S 2018. Golden, CO: Laboratório Nacional de Energias Renováveis. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf. pp. 15 et seq

Diferentes tipos de sistemas solares fotovoltaicos

Como os preços dos combustíveis fósseis continuam a subir e os padrões de emissão continuam a ficar mais rigorosos em todo o mundo, a procura de energias renováveis como a energia solar e eólica e soluções de armazenamento de energia continuará a aumentar.

O termo solar refere-se ao sol. As baterias solares são aquelas que são usadas para armazenar a energia convertida da irradiação solar ou energia luminosa em eletricidade usando células solares (também chamadas células solares fotovoltaicas, ou células fotovoltaicas) através dos efeitos fotovoltaicos. Eles não envolvem reacções químicas como nas pilhas. A célula PV é composta por material semicondutor, que combina algumas propriedades dos metais e algumas propriedades dos isoladores, o que a torna capaz de converter luz em electricidade.

Quando a luz é absorvida por um semicondutor, os fotões de luz podem transferir a sua energia para os electrões, gerando um fluxo de electrões. O que é corrente eléctrica? É o fluxo de elétrons. Esta corrente flui do semicondutor para os cabos de saída. Estes cabos são ligados à bateria ou às redes através de alguns circuitos electrónicos e inversor para controlar e gerar corrente alternada.

Métodos de utilização da energia do sistema solar fotovoltaico

Sistema SPV autônomo (ou Off-Grid):

Aqui a energia solar é usada para uma única casa ou uma unidade industrial ou pequena comunidade. A energia produzida pelos painéis solares é enviada para a bateria através do controlador electrónico e as baterias armazenam a energia. A CC da bateria é invertida para CA; as cargas eléctricas retiram a sua electricidade destas baterias. Normalmente, um sistema solar de 1 kW no telhado requer 10 m2. metros de área livre de sombras. O dimensionamento real, no entanto, depende de factores locais de radiação solar e condições meteorológicas, da eficiência do módulo solar, da forma do telhado, etc.

Fig. 2. Um simples sistema solar fora da rede
Fig. 2. Um simples sistema solar fora da rede

Sistema fotovoltaico solar fotovoltaico em rede recta (ou sistema ligado à rede)

Em um sistema reto ligado à rede (ou Grid-tied system), os painéis SPV serão conectados às linhas públicas de distribuição de energia através do controlador e medidor de energia. Aqui
Não são usadas pilhas.
A electricidade é usada primeiro para alimentar as necessidades eléctricas imediatas da casa. Quando essas necessidades são satisfeitas, a electricidade adicional é enviada para a rede através do contador de energia. Com um sistema de energia solar ligado à rede quando a casa necessita de mais energia do que a que os painéis solares estão a produzir, então o balanço de electricidade necessário é fornecido pela rede de abastecimento.

Assim, por exemplo, se a carga elétrica na casa está consumindo 20 ampères de corrente e a energia solar pode gerar apenas 12 ampères, então 8 ampères seriam retirados da rede. Obviamente, à noite, todas as necessidades eléctricas são supridas pela rede porque com um sistema de ligação à rede não se armazena a energia que se gera durante o dia.

Uma desvantagem deste tipo de sistema é que quando a energia se apaga, o sistema também se apaga. Isto é por razões de segurança porque os linemans que trabalham nas linhas de energia precisam saber que não há fonte alimentando a rede. Os inversores ligados à rede têm de se desligar automaticamente quando não sentem a rede. Isto significa que você não pode fornecer energia durante uma interrupção ou uma emergência e não pode armazenar energia para uso posterior. Você também não pode controlar quando você usa a energia do seu sistema, como durante o horário de pico de demanda.

Sistema solar fotovoltaico interactivo ou ligado à rede (híbrido)

Há ainda outro sistema onde podemos abastecer o sistema de rede. Podemos ganhar dinheiro ou recuperar a energia fornecida por nós sempre que necessário.

Sistema solar fotovoltaico sem armazenamento de bateria - Grid interactivo ou Grid-tied (híbrido)

Estes sistemas SPV geram electricidade solar e fornecem cargas internas e para o sistema de distribuição local. Este tipo de componentes do sistema SPV é (a) Painel SPV e (b) Inversor. O sistema ligado à rede é semelhante a um sistema eléctrico normal, excepto que parte ou a totalidade da electricidade vem do sol. A desvantagem destes sistemas sem armazenamento de bateria é que eles não têm uma fonte de alimentação durante as interrupções de energia.

Vantagens do sistema solar fotovoltaico (híbrido) ligado à rede sem armazenamento da bateria

É o sistema menos dispendioso com manutenção insignificante.
Se o sistema produz mais energia do que a necessidade interna, então a energia extra é trocada com a rede de distribuição.
Os sistemas Grid-direct têm uma maior eficiência porque as baterias não estão envolvidas.
Uma tensão mais alta significa um tamanho de fio menor.
O custo aproximado dos sistemas solares de cobertura ligados à rede para o AF 2018-19 variou de Rs. 53 por watt – Rs. 60 por watt.

Diagrama do Sistema Solar Fotovoltaico Fig 3. Rede solar ligada sem bateria
Fig 3. Rede solar ligada sem bateria
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

Sistema solar fotovoltaico interactivo ou ligado à rede (híbrido) com armazenamento de bateria

Este tipo de sistema solar fotovoltaico está ligado à rede e pode qualificar-se para incentivos estatais, ao mesmo tempo que reduz a sua conta de serviços públicos. Ao mesmo tempo, se houver uma falha de energia, este sistema tem energia de reserva. Os sistemas ligados à rede elétrica baseados em bateria fornecem energia durante uma interrupção e a energia pode ser armazenada para uso em uma emergência. Cargas essenciais como iluminação e aparelhos também estão tendo energia de reserva quando a energia está desligada. Também se pode usar energia durante as horas de pico de demanda, porque a energia foi armazenada no banco de baterias para uso posterior.

Os principais inconvenientes deste sistema solar fotovoltaico são que o custo é superior ao dos sistemas básicos ligados à rede e é menos eficiente. Há também componentes adicionados. A adição das baterias também requer um controlador de carga para protegê-las. Também deve haver um subpainel que contenha as cargas importantes que você quer ter de suportar. Nem todas as cargas que a casa usa na grelha são suportadas pelo sistema. Cargas importantes que são necessárias quando há uma interrupção de energia. Eles estão isolados num sub-painel de apoio.

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