Painel Fotovoltaico

Descrição da experiência

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

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 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.

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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, $I_D$:

$$I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1)$$

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:

$$I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L$$

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

$$P_{ger} = A\cos(ganho\cdot \theta)$$ 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.

Links

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