MATERIAIS ELÉTRICOS Materiais Semicondutores Aplicação de células fotovoltaicas em sistemas de geração e distribuição de energia

FACULDADE ESTÁCIO DO RECIFE

ENGENHARIA ELÉTRICA

MATERIAIS ELÉTRICOS Materiais Semicondutores Aplicação de células fotovoltaicas em sistemas de geração e distribuição de energia

FACULDADE ESTÁCIO DO RECIFE

ENGENHARIA ELÉTRICA

• Paulo Viana - 201308341725 • Leandro Nascimento - 201307041051 • Eraldo Monteiro - 201504150589 • Washington Oliveira - 201308180871 • Renato Batista da Silva - 201307044565 • Ricardo Marinho - 201307176747 • Rinaldo Daniel de Moura - 201402050551

• Prof. Robson Ramalho • Disciplina - CE0252 • Turma - 3002 • Campus - Dom Bosco/Recife

Vídeo retirado do canal https://www.youtube.com/user/01InstitutoIdeal

Uma breve introdução sobre as células fotovoltaicas

Energia Renovável

Conceito: É aquela que vem de recursos naturais

como sol, vento, chuva, marés e energia geotérmica, que são recursos renováveis (naturalmente reabastecidos).

Energia Solar

O Sol é a nossa maior fonte de energia: poderosa, durável, confiável e disponível em todo o mundo. A cada hora, a luz solar que atinge a terra é maior do que a quantidade de energia utilizada por cada pessoa no planeta em um ano inteiro. A energia fotovoltaica, uma tecnologia versátil e flexível, pode ser utilizada para atender quase todas as necessidades em praticamente qualquer local. No espaço e no ar, na terra e no mar, as células fotovoltaicas produzem energia quando e onde for necessário. Conceito:

É aquela proviniente do Sol tendo como base a energia térmica e ou luminosa, possibilitando apartir destas a transformação em outras formas de energia. É utilizada por meio de diferentes tecnologias em constante evolução, como o aquecimento solar, a energia solar fotovoltaica , a energia heliotérmica, a arquitetura solar e a fotossíntese artificial.

Formas de Aproveitamento e

Transformação da Energia Solar

Energia Térmica: Esta utilizada basicamente para aquecer desde pequenos trocadores de calor para ambientes, como aquecer água em pequenas caldeiras predial caldeiras para utilização ou grandes caldeiras utilizadas para geração de vapor a ser utilizado na Industria. Ex: Usina Termoelétrica

Formas de Aproveitamento e

Transformação da Energia Solar

Energia Luminosa: Utilizada para Iluminar ambientes através de telhado translucido e ou luminária apropriada para o ambiente, como também utilizada para geração de energia elétrica sendo transformada através de painéis fotovoltaicos.

O desenvolvimento dos painéis fotovoltaicos só foi possível com a descoberta e o aperfeiçoamento dos materiais Semicondutores.

Semicondutor

Definição: Descobertos em 1874 por Braun, Semicondutores são sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são em muito pontos semelhantes aos materiais cerâmicos, podendo ser considerados como uma subclasse da cerâmica. Seu emprego é importante na fabricação de componentes eletrônicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia. Portanto atualmente o elemento semicondutor é primordial na indústria eletrônica e confecção de seus componentes.

Silício ( Si )

História: O silício ( do latím silex, sílica ) foi identificado pela primeira vez por Antoine Lavoisier em 1787 e posteriormente considerado como elemento por Humphry Davy em 1800. Em 1811 Joseph-Louis Gay-Lussac e Louis Jacques Thénard provavelmente prepararam silício amorfo impuro aquecendo potássio com tetracloreto de silício. Em 1824 Jöns Jacob Berzelius preparou silício amorfo empregando um método similar ao de Gay-Lussac, purificando depois o produto obtido com lavagens sucessivas até isolar o elemento. Existe uma região na Califórnia chamada vale do Silício, onde se concentra varias empresas do ramo de produção industrial de semicondutores de Silício. O nome da região e uma homenagem ao elemento responsável por grande parte da produção mundial de circuitos eletrônicos.

Principais Caracteristicas: Suas propriedades são intermediárias entre as do carbono e o germânio. Na forma cristalina é muito duro e pouco solúvel, apresentando um brilho metálico e uma coloração grisácea. É um elemento relativamente inerte e resistente à ação da maioria dos ácidos; reage com os halogênios e álcalis. O silício transmite mais de 95% dos comprimentos de onda das radiações infravermelhas.

Silício ( Si )

Aplicações: Utilizado para a produção de ligas metálicas, na preparação de silicones, na indústria cerâmica e, por ser um material semicondutor muito abundante, tem um interesse muito especial na indústria eletrônica e microeletrônica, como material básico para a produção de transistores para chips, células solares e em diversas variedades de circuitos eletrônicos. Por esta razão é conhecida como Vale do silício a região da Califórnia (Estados Unidos) onde estão concentrados numerosas empresas do setor de eletrônica e informática. O silício é um elemento vital em numerosas indústrias. Outros importantes usos do silício são: Como carga em materiais de revestimento e compósitos de cimento, como cerâmicas. Como elemento de liga em fundições. Utilizado também como elemento de ligação entre restaurações em porcelana e cerômero e os adesivos (silano). Os cristais de quartzo também possuem uma propriedade especial chamada de piezeletricidade. Essa característica consiste em transformar energia mecânica diretamente em energia elétrica, e vice-versa. Suas aplicações variam desde alto-falantes piezelétricos, agulha para toca-discos e cristais osciladores para circuitos eletrônicos que trabalham com freqüências.

Tipos de células Fotovoltaicas de Silício:

Silício Monocristalino Si-m

Estas células obtêm-se a partir de barras cilíndricas de silício monocristalino produzidas em fornos especiais. As células são obtidas por corte das barras em forma de pastilhas finas (0,4-0,5 mm de espessura). A sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é superior a 12%.

Silício Policristalino Si-m

Estas células são produzidas a partir de blocos de silício obtidos por fusão de silício puro em moldes especiais. Uma vez nos moldes, o silício arrefece lentamente e solidifica-se. Neste processo, os átomos não se organizam num único cristal. Forma-se uma estrutura policristalina com superfícies de separação entre os cristais. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade é ligeiramente menor do que nas de silício monocristalino.

Estas células são obtidas por meio da deposição de camadas muito finas de silício ou outros materiais semicondutores sobre superfícies de vidro ou metal. Sua eficiência na conversão de luz solar em eletricidade varia entre 5% e 7%.

Silício Amorfo Si-m

Tipos de células Fotovoltaicas de Silício

Silício Monocristalino Si-m Silício Policristalino Si-p Silício Amorfo Si-a

Silício ( Si )

Celulas Fotoelétricas ( Foto Voltaicas) : O uso de silício nos painéis solares tem aumentado muito no século XXI devido a preocupação mundial com o aquecimento global. O uso de células fotoelétricas para a obtenção de eletricidade aproveita um recurso inesgotável, a energia solar. A primeira geração de células fotovoltaicas é constituída pelas células de silício cristalino. As células consistem de uma lâmina de silício na qual é formada uma junção p-n díodo de junção, capaz de gerar energia elétrica utilizável a partir de fontes de luz com comprimentos de onda da luz solar. A primeira geração de células constitui a tecnologia dominante em termos de produção comercial, representando mais de 80% do mercado mundial. O efeito fotovoltaico foi descoberto pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel. Entretanto, só após 1883 que as primeiras células fotoelétricas foram construídas, por Charles Fritts, que cobriu o selênio semicondutor com uma camada extremamente fina de ouro de modo a formar junções. Ao conjunto de células fotoelétricas chama-se placa fotovoltaica, cujo uso hoje é bastante comum em lugares afastados da rede elétrica convencional. Existem placas de várias potências e tensões diferentes para os mais diversos usos. Os painéis solares baseados em silício não são os mais eficientes. O melhor material para tal é composto de arsenieto de gálio. Porém, o silício é muito mais viável economicamente, já que o gálio é um elemento muito escasso na Terra.

Como Funcionam as Células Fotovoltaicas?

As células fotovoltaicas realizam essa conversão sem partes móveis, ruído, poluição, radiação ou são livres de manutenção. As células fotovoltaicas são feitas de um material semicondutor, geralmente de silício , que é tratado quimicamente para criar uma camada de carga positiva e uma camada de carga negativa. Quando a luz solar atinge uma célula fotovoltaica, um elétron é desalojado. Estes elétrons são recolhidos por fios ligados à célula, formando uma corrente elétrica. Quanto mais células, maior a corrente e tensão. Um certo número de células dispostas lado a lado formam um módulo ou painel fotovoltaico, vários módulos juntos formam um arranjo de painéis fotovoltaicos. Os módulos vendidos comercialmente possuem potências que variam desde 5 watts até 300 watts, e produzem corrente contínua (cc) semelhante a corrente da bateria de um automóvel.

Funcionamento das Células Fotovoltaicas

Células fotovoltaicas são fabricadas com material semicondutor, ou seja, material com características intermédias entre um condutor e um isolante. O silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui elétrons livres e, portanto é mal condutor elétrico. Para alterar isto acrescentam-se porcentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem. A dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com elétrons livres ou materiais com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas agora acrescentado Boro ao invés de Fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, falta de elétrons ou material com cargas positivas livres (silício tipo P). Cada célula solar compõe-se de camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P.

Funcionamento das Células Fotovoltaicas

Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras. Mas ao serem unidas, na região P-N, forma-se um campo elétrico devido aos elétrons livres do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Ao incidir luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons chocam-se com outros elétrons da estrutura do silício fornecendo-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado pela junção P-N, os elétrons são orientados e fluem da camada “P” para a camada “N”. Por meio de um condutor externo, ligando a camada negativa à positiva, gera-se um fluxo de elétrons (corrente elétrica). Enquanto a luz incidir na célula, manter-se-á este fluxo. A intensidade da corrente elétrica gerada variará na mesma proporção conforme a intensidade da luz incidente. Uma célula fotovoltaica não armazena energia elétrica. Apenas mantém um fluxo de elétrons estabelecidos num circuito elétrico enquanto houver incidência de luz sobre ela. Este fenômeno é denominado “Efeito fotovoltaico”

Modelo de uma célula Fotovoltaica

Módulos fotovoltaicos quando expostos à radiação solar geram energia elétrica em corrente contínua. O desempenho destes módulos depende, entre alguns fatores, do nível de radiação solar. Um modelo elétrico que representa uma célula fotovoltaica é mostrado na figura ao lado. O circuito apresenta uma fonte de corrente Iph, em paralelo com um diodo D. As perdas da célula fotovoltaica são representadas por Rph e Rsh. O módulo da fonte de corrente Iph, depende, entre alguns fatores, do nível da radiação solar incidente na célula (SEGUEL, 2009). Portanto, é razoável supor que a potência útil de uma usina solar é diretamente proporcional à radiação solar incidente nos painéis fotovoltaicos (LAVE, 2009).

Modelo de uma célula fotovoltaica de silício.

Tipos de células Fotovoltaicas

Células de Multijunção

As células fotovoltaicas multijunção são uma subclasse de células fotovoltaicas desenvolvidas para a obtenção de eficiência de conversão superiores. São constituídas por múltiplas camadas de películas finas produzidas por um processo de epitaxia de feixes de moléculas e/ou de epitaxia de fase de vapor metal-orgânico.

Uma pequena animação para chamar a atenção da sociedade que o caminho para um futuro melhor para o planeta é aumentar os investimentos no setor de energia renovável.

Vídeo retirado do canal https://www.youtube.com/channel/UCPEuzCnHZdyhtk3tNcD

BLnw

Utilizações da Energia Solar:

Sistemas fotovoltaicos já fazem parte de nossas vidas. As aplicações vão desde pequenas aplicações como calculadoras e relógios de pulso, fornecimento de eletricidade para as bombas de água, sinalizações em estradas, equipamentos de comunicações, satélites, casas móveis, medicina (para alimentar equipamentos médicos, purificadores de água, refrigeradores para vacinas), boias de navegação, iluminação pública, iluminação de jardins, iluminação de casas e aparelhos eletrodomésticos até Geração em larga escala com capacidade de fornecer energia para uma pequena Cidade e ou uma Grande Industria.

Composição de um Sistema de Geração de Energia Solar:

Um sistema Solar Fotovoltaico básico é composto de um ou mais painéis fotovoltaicos, controlador de carga e baterias. Em alguns casos utiliza-se também um inversor: Painel fotovoltaico: Converte a luz solar em energia elétrica, normalmente 12VCC - corrente contínua. Controlador de carga: Gerencia o carregamento da bateria, evitando sobrecargas e protegendo contra descargas abaixo do permitido. Acumuladores: Armazena a energia elétrica gerada pelo painel ao longo do dia, para ser usada à noite ou em dias muito nublados ou chuvosos. Inversor: Converte a tensão dos acumuladores, corrente alternada. Painel de Transferência de Carga: Responsável por sincronizar e permitir que a energia gerada possa ser injetada na rede de distribuição.

Inversor de Frequência:

Também conhecido como conversor, oscilador. Tem a função de converter um sistema de CC(Corrente Contínua) em CA(Corrente Alternada) variando a frequência de saída de acordo com a necessidade da aplicação. O uso de inversor é bastante amplo, como exemplos temos controle de velocidade de motor, aquecimento por indução magnética, controle de frequência em sistemas de geração e transmissão de energia, entre outros. Estas aplicações só foram possíveis com a aprimoração do uso dos Transistores e Tiristores em Circuitos de Potência.

O transístor ou transistor é um componente eletrônico que começou a popularizar-se na década de 50, tendo sido o principal responsável pela revolução da eletrônica na década de 1960. São utilizados principalmente como amplificadores e interruptores de sinais elétricos, também são usados como retificadores elétricos em um circuito podendo ter variadas funções . O termo provém do inglês transfer resistor (resistor/resistência de transferência), como era conhecido pelos seus inventores.

Transistor:

Tiristor:

O nome Tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores multicamadas, que operam em regime de chaveamento, tendo em comum uma estrutura de no mínimo quatro camadas semicondutoras numa seqüência P-N-P-N (três junções semicondutoras), apresentando um comportamento funcional. Os tiristores permitem por meio da adequada ativação do terminal de controle, o chaveamento do estado de bloqueio para estado de condução, sendo que alguns tiristores (mas não todos) permitem também o chaveamento do estado de condução para estado de bloqueio, também pelo terminal de controle. Como exemplo de tiristores, podemos citar o SCR e o TRIAC. No caso do tiristor SCR este se assemelha a uma fechadura pelo fato da corrente poder fluir pelo dispositivo em um único sentido, entrando pelo terminal de anodo e saindo pelo terminal de catodo. No entanto difere de um diodo porque mesmo quando o dispositivo está diretamente polarizado ele não consegue entrar em condução enquanto não ocorrer a ativação do seu terminal de controle (terminal denominado porta, ou gate em inglês). Ao invés de usar um sinal de permanência continua na porta (como nos TBJs e MOSFETs) como sinal de controle, os tiristores são comutados ao ligamento pela aplicação de um pulso ao terminal de porta, que normalmente pode ser de curta duração. Uma vez comutado para o estado de ligado, o tiristor SCR permanecerá por tempo indefinido neste estado enquanto o dispositivo estiver diretamente polarizado e a corrente de anodo se mantiver acima de um patamar mínimo.

Transistor e Tiristor:

Energia Solar no Mundo

A energia solar no mundo tem apresentado nos últimos anos um crescimento exponencial. Segundo um relatório 2013 da Associação da Indústria Fotovoltaica Europeia, o cenário até 2017 indica a continuidade deste crescimento. De acordo com o relatório, considerando um mercado pessimista, Business-as-usual, a capacidade instalada pode chegar a 48 GW em 2017; se for considerado a participação do poder público poderá atingir a marca de 84 GW

Fonte: Adaptado de EPIA: Global Market Outlook for Photovoltaics 2013-2017.

Diante de tal crescimento grandes projetos em usinas solares estão sendo feitos no mundo. Com investimentos de empresas como: Google, NRG Energy e Bright Source Energy, foi inaugurada em fevereiro de 2014, na região desértica da Califórnia, a usina solar térmica Ivanpah. Esta usina é considerada uma das maiores do mundo, com capacidade de geração da ordem de 392 megawatts. No final do primeiro semestre de 2014 foi inaugurada no deserto do Atacama, no Chile, a usina solar Amanhecer, com investimentos de 260,5 milhões de dólares e uma capacidade instalada de 100 MW. Nesta mesma região está sendo desenvolvida, pela empresa espanhola Abengoa, uma usina solar com concentração, denominada Termosolar, com capacidade de 110 MW

Energia Solar no Mundo

Energia Solar no Mundo

Outro grande investimento em usinas solares fotovoltaicas teve início no ano de 2014. Localizada na China, a usina é considerada como a segunda maior do mundo e tem capacidade instalada de 1.000 MW. Além desta usina, o país anunciou outra central de produção fotovoltaica a ser instalada no deserto da Mongólia. A usina terá uma capacidade instalada de 2.000 MW.

Solar Valley: maior estação de energia solar

do mundo

No Brasil estão em andamento importantes iniciativas para fomentar a energia solar no país. Um exemplo é a Chamada pública Nº 013/2011 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), “Arranjos Técnicos e Comerciais para Inserção de Projetos de Geração Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira”. Esta Chamada permitiu que Companhias de energia aplicassem recurso de P&D (Pesquisa e Desenvolvimento) para instalação de centrais fotovoltaicas de geração. Atendendo à Chamada 13 foram selecionados 18 projetos de 17 empresas de energia, totalizando uma potência de 23,6 MWh com instalação prevista até 2015 (EPE, 2012).

Vale frisar, também, o empenho de Centros de Pesquisa e Universidades, como a Universidade de Federal de Pernambuco, com apoio científico e profissional do grupo de Fontes Alternativas de Energia que resultaram em projetos tais como:

Energia Solar no Brasil

Usina Fotovoltaica de Petrolina que terá capacidade de 3MW. Além de gerar energia, também, será utilizada como apoio a projetos de pesquisa. Parte da energia gerada pela usina será absorvida pela própria usina e outra parte será comercializada.

Estádio Arena Pernambuco. Projeto incentivado pela Copa do Mundo de 2014. Inaugurado em dezembro de 2013 e com investimento de 10 milhões de reais, possui mais de 3.000 painéis instalados e potência instalada de 1 MW.

Energia Solar no Brasil

Usina solar em Fernando de Noronha. Foi inaugurada em julho de 2014 e possui uma capacidade de geração de energia da ordem de 600 MWh por ano. A região que antes tinha todo o seu abastecimento oriundo da termelétrica do Tubarão terá, a partir da usina solar, uma redução no consumo de óleo diesel, reduzindo a degradação ambiental. Além desta usina solar, a Ilha de Fernando de Noronha receberá uma nova usina. Com investimentos de 6 milhões de reais a nova usina poderá gerar 777 MWh por ano. A previsão do início de suas atividades é no primeiro semestre de 2015.

Energia Solar no Brasil

O grande avanço da energia solar e o crescimento na quantidade de empreendimentos tem permitido uma grande participação da energia solar em leilões de energia. No último leilão de reserva, realizado no final do primeiro semestre de 2014, houve um crescimento na quantidade de projetos de energia solar inscritos. O total ofertado foi de 10.790 MW. A tabela 1 mostra a quantidade de projetos de energia fotovoltaica inscritos no leilão pelos estados brasileiros e sua oferta de energia. Neste leilão foram selecionados 31 projetos de energia solar somando uma capacidade instalada de 889,6 MW. O preço de venda ficou em R$ 215,00 / MWh frente ao valor máximo estabelecido que foi R$ 262,00 (MAGNABOSCO, 2014).

Estados Quantidade de projetos Oferta (MW)

Bahia 161 4.334

Piauí 45 1.231

Pernambuco 43 1.152

Rio Grande do Norte 42 1.155

São Paulo 26 788

Paraíba 25 653

Tocantins 21 590

Minas Gerais 17 507

Ceará 15 324

Goiás 04 35

Tabela 1 - Número de projetos de energia solar por região inscritos para participação no leilão de reserva no ano de 2014.

Energia Solar no Brasil

Rinaldo Moura