Parâmetros de uma célula solar e características de um painel fotovoltaico

Parâmetros e características de uma célula fotovoltaica

O que exatamente é uma célula solar fotovoltaica?

Uma célula solar é um dispositivo semicondutor que pode converter a radiação solar em eletricidade. Sua capacidade de converter a luz solar em eletricidade sem uma conversão intermediária o torna único para aproveitar a energia solar disponível em eletricidade útil. Por isso são chamadas de células solares fotovoltaicas. A Fig. 1 mostra uma célula solar típica.

Vários fatores governam a eletricidade gerada por uma célula solar, como;

• A intensidade da luz:quanto maior a luz solar que incide sobre a célula, maior é a eletricidade gerada pela célula.
• Área da célula:ao aumentar a área da célula, a corrente gerada pela célula também aumenta.
• O ângulo de incidência:Se a luz que incide sobre a célula é perpendicular à sua superfície, a potência gerada por ela é ótima. Idealmente, o ângulo deve ser de 90 ^o mas praticamente deve ser tão próximo quanto 90 ^o .

A célula solar é um dispositivo de dois terminais. Um é positivo (ânodo) e o outro é negativo (cátodo). Um arranjo de célula solar é conhecido como módulo solar ou painel solar, onde o arranjo de painel solar é conhecido como matriz fotovoltaica.

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Funcionamento de uma célula solar

A luz do sol é um grupo de fótons com uma quantidade finita de energia. Para a geração de eletricidade pela célula, ela deve absorver a energia do fóton. A absorção depende da energia do fóton e da energia do band-gap do material semicondutor solar e é expressa em elétron-volt (eV).

Os fótons são absorvidos pelo material semicondutor, o que resulta na geração de pares elétron-lacuna, onde os elétrons são cargas negativas e as lacunas são cargas positivas. Quando uma carga é conectada há uma separação de elétrons e buracos na junção, os buracos se movem para o lado do ânodo e os elétrons para o lado do cátodo.

Assim, a separação dessas duas cargas cria uma diferença de potencial elétrico e obtemos uma tensão no terminal da célula. Esta tensão é usada para conduzir a corrente no circuito.

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Parâmetros da célula solar

A conversão da luz solar em eletricidade é determinada por vários parâmetros de uma célula solar. Para entender esses parâmetros, precisamos dar uma olhada na curva I – V, conforme mostrado na figura 2 abaixo. A curva foi traçada com base nos dados da tabela 1.

Tabela 1

Os parâmetros das células são fornecidos pelos fabricantes no STC (Standard Test Condition). Sob STC a radiação solar correspondente é igual a 1000 W/m ² e a temperatura de operação da célula é igual a 25 ^o C. Os parâmetros da célula solar são os seguintes;

Corrente de curto-circuito (I_SC ):

A corrente de curto-circuito é a corrente máxima produzida pela célula solar, é medida em amperes (A) ou miliampere (mA). Como pode ser visto na tabela 1 e na figura 2 que a tensão de circuito aberto é zero quando a célula está produzindo corrente máxima (I_SC =0,65A).

O valor do curto-circuito depende da área da célula, da radiação solar que incide sobre a célula, da tecnologia da célula, etc. Às vezes, os fabricantes fornecem a densidade de corrente em vez do valor da corrente. A densidade de corrente é indicada por “J” e a densidade de corrente de curto-circuito é indicada por “J_SC ”. A densidade de corrente de curto-circuito é obtida dividindo a corrente de curto-circuito pela área das células solares da seguinte forma:

J_SC =I_SC / UMA

Vamos dar um exemplo, uma célula solar tem uma densidade de corrente de 40 mA/cm ² no STC e uma área de 200 cm ² . Então a corrente de curto-circuito pode ser determinada da seguinte forma;

Eu_SC =Jsc × Área =40 mA/cm ² × 200 cm ² =8000 mA =8 A

Tensão de circuito aberto (V_OC ):

A tensão de circuito aberto é a tensão máxima que a célula pode produzir em condições de circuito aberto. É medido em volt (V) ou milivolt (mV). Como pode ser visto na tabela 1 e na figura 2 que a corrente de curto-circuito é igual a zero quando a célula produz tensão máxima. O valor de V_OC depende da tecnologia da célula e da temperatura de operação da célula.

Máximo de Power Point (P_M ):

O ponto de potência máxima representa a potência máxima que uma célula solar pode produzir no STC (ou seja, radiância solar de 1000 W/m ² e temperatura de operação da célula de 25 ^o C). É medido em W_Pico ou simplesmente W_P . Além do STC, a célula solar tem P_M em diferentes valores de radiância e temperatura de operação da célula.

A célula pode operar em diferentes combinações de corrente e tensão. Mas só pode produzir potência máxima P_M em uma determinada combinação de tensão e corrente. Conforme mostrado na figura 2, o ponto de potência máxima está no joelho da curva I – V e é o produto de I_M e V

P_M =Eu_M × V_M =0,62 × 9,27 =5,75 W_P

Corrente no Ponto de Potência Máximo (I_M ):

Representa a corrente que a célula solar produzirá ao operar no PowerPoint máximo. É indicado por I_M e pode ser visto na figura 2 que seu valor é sempre menor que a corrente de curto-circuito (I_SC ). É medido em amperes (A) ou miliampere (mA).

A tensão no ponto de potência máxima (V_M ):

Representa a tensão que a célula solar produzirá ao operar no PowerPoint máximo. É denotado por V_M e pode ser visto na figura 2 que seu valor é sempre menor que a tensão de circuito aberto (V_OC ). É medido em volts (V) ou milivolts (mV).

Fator de preenchimento (FF):

Representa a área coberta por I_M – V_M retângulo com a área coberta por I_SC – V_OC retângulo como por linhas pontilhadas na figura 2. O fator de preenchimento representa a quadratura da curva I – V. É representado em termos de porcentagem (%), quanto maior o fator de preenchimento em porcentagem, melhor é a célula.

FF =P_M / (eu_SC ×V_OC )

Com base nos dados da tabela 1 e da figura 2 podemos determinar o fator de preenchimento da seguinte forma;

FF =[5,75 / (0,65 × 11,4)] × 100 =77,59 %

Representado em porcentagem pela multiplicação por 100.

Eficiência (ƞ):

• A eficiência de uma célula solar é definida como a potência máxima de saída (P_M ) dividido pela potência de entrada (P_IN ). É medido em porcentagem (%), o que indica que essa porcentagem da energia solar de entrada é convertida em energia elétrica. A potência de entrada é a densidade de potência. Portanto, para calcular a eficiência multiplique P_IN no STC por área. A eficiência pode ser calculada da seguinte forma;

ƞ =P_M / (P_EM × Área)

Se a área da célula for 0,01 m ² , P_M =5,75 W_P então a eficiência na condição de teste padrão pode ser dada como;

ƞ =[5,75 W_P / (1000 W/m ² × 0,01 m ² )] =57,5%

Representado em porcentagem pela multiplicação por 100.

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Tecnologias Fotovoltaicas

Uma grande variedade de células solares está disponível no mercado, o nome da tecnologia de células solares depende do material usado nessa tecnologia. Portanto, células diferentes têm parâmetros de célula diferentes, como densidade de corrente de curto-circuito, eficiência, tensão de circuito aberto, fator de preenchimento, etc. A tabela 2 a seguir mostra a lista de células comercialmente disponíveis e sua faixa de valores de parâmetros.

Tabela 2

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Fatores que afetam a energia gerada pelas células solares

Eficiência de conversão (ƞ):

Nem toda a luz que incide sobre a célula solar é convertida em energia elétrica. A eficiência de conversão é referida como a razão entre a energia elétrica gerada e a energia luminosa de entrada. Não podemos alterar a eficiência da célula, com base no processo de fabricação e no material utilizado nela e seu valor permanece fixo.

Potência máxima da célula solar P_M depende da tensão que desenvolve através do terminal da célula e da corrente que pode fornecer. A área da célula é um dos fatores importantes que afetam a potência de saída desenvolvida pela célula. O valor da potência de saída pode ser determinado para uma determinada potência de entrada em (W/m ² ), eficiência de conversão da célula em (%) e área da célula em (m ² ).

A eficiência da célula solar é fornecida em STC e a potência de entrada (P_IN ) é considerado como 1000 W/m ² . Assim, usando a fórmula abaixo, podemos determinar a potência de saída gerada para diferentes eficiências.

P_M =(P_EM × Área) × ƞ

Digamos que temos que calcular a potência de saída no STC com eficiências de 30% e 25% e uma área de 0,01 m ² . Assim, para 30% de eficiência temos;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,30 =3 W_P

E para 25% de eficiência temos;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2,5 W_P

Quantidade de luz de entrada:

A intensidade da luz que incide sobre a célula continua mudando ao longo do dia. Dependendo da luz que incide na célula, a corrente e a voltagem da célula mudam. A corrente gerada pela célula depende diretamente da luz que incide sobre ela.

De manhã até a tarde a luz que incide sobre a célula aumenta, portanto a corrente gerada pela célula também aumenta. Da tarde ao pôr do sol, a luz que incide sobre a célula diminui, portanto, a corrente gerada pela célula também diminui. Não há grande variação na tensão de saída da célula, pois ela não é afetada pela variação da luz solar.

Digamos que temos que calcular a potência de saída para uma célula com área de 0,01 m ² para uma potência de entrada de 1000 W/m ² e 800 W/m ² com uma eficiência de 25%. Assim, para uma potência de entrada de 1000 W/m ² obtemos a potência de saída da seguinte forma;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2,5 W_P

E para uma potência de entrada de 800 W/m ² ;

P_M =(800 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2 W_P

Como podemos ver, há uma diminuição na potência de saída devido a uma diminuição na potência de entrada. Assim, a quantidade de energia gerada pela célula é proporcional à luz solar.

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Área da célula:

A corrente de curto-circuito da célula solar depende da área da célula. A corrente de saída é diretamente proporcional à área da célula. Quanto maior a área da célula a quantidade de corrente gerada também é grande e vice-versa. Por exemplo, 200 cm ² área produzirá 2 A de corrente e 200 cm ² produzirá uma corrente de 4 A para a mesma irradiância de 1000 W/m ² .

Como vimos anteriormente, a densidade de corrente é obtida dividindo-se a corrente pela área da célula. A densidade de corrente (J_SC ) é fixado para uma determinada intensidade de luz solar e não depende da área. Vamos dar um exemplo onde temos que calcular a corrente de saída da célula solar com uma área de 20 cm ² e 50 cm ² .

Tendo uma densidade de corrente constante de 35 mA/m ² . A corrente de saída para 20 cm ² pode ser calculado da seguinte forma;

Eu_SC =J_SC × Área =35 mA/m ² × 20 cm ² =0,70A

A corrente de saída para 50 cm ² pode ser calculado da seguinte forma;

Eu_SC =J_SC × Área =35 mA/m ² × 50 cm ² =1,75A

Assim, a partir do cálculo acima, fica claro que quanto maior a área da célula maior é o valor da corrente e menor a área da célula menor é o valor da corrente.

O ângulo de luz (θ):

A célula solar produz potência máxima de saída para determinada luz solar quando o ângulo da luz e a célula são perpendiculares entre si (ou seja, 90 ^o ) conforme mostrado na figura 3. Quando o ângulo de incidência da luz for menor ou maior que 90 ^o conforme mostrado na figura 3 do que produzirá uma potência de saída inferior à capacidade máxima de potência de saída da célula.

Quando a luz incide em um ângulo maior ou menor que 90 ^o alguma parte da luz é refletida, e a luz utilizada pela célula é menor do que a real que incide sobre ela. Isso resulta em uma redução da potência de saída gerada pela célula. É por esse motivo que devemos instalar a célula solar em um ângulo perpendicular à luz que cai para gerar o máximo de eletricidade possível.

Temperatura de operação (T):

Os fabricantes fornecem a tensão, corrente e potência nominal da célula no STC com irradiância de 1000 W/m ² e temperatura de 25 ^o Mas, na prática, a temperatura da célula solar varia devido à temperatura ambiente e, além disso, as células são fechadas em vidro, devido ao qual a temperatura da célula solar aumenta ainda mais.

Esta mudança de temperatura afeta a tensão, potência e eficiência da célula, o aumento da temperatura da célula acima do STC reduz a saída desses parâmetros. A diminuição desses parâmetros difere para diferentes células solares disponíveis no mercado.

Vamos dar um exemplo para entender a diminuição de um dos parâmetros (ou seja, tensão). Uma célula está tendo uma tensão de saída de 0,9 V no STC. A temperatura de operação da célula é 50 ^o C. A tensão de saída da célula diminui em 2,1 mV/ ^o C. qual pode ser o novo valor da tensão de saída?

ΔT =T_real – T_padrão =50 – 25 =25 ^o C

A tensão de saída reduzida =tensão de circuito aberto (V_OC ) em STC – (Diminuição da tensão – ΔT) =0,9 – (2,1 × 10 ^-3 × 25) =0,84 V

Do cálculo acima, pode-se concluir que há uma diminuição na tensão de saída se a temperatura subir acima de STC (ou seja, acima de 25 ^o C).

Conclusão

É devido ao desenvolvimento da tecnologia de semicondutores que podemos converter a luz solar abundante em eletricidade. Neste artigo estudamos o funcionamento da célula solar, diferentes tipos de células, vários parâmetros como tensão de circuito aberto, corrente de curto-circuito, etc. que nos ajudam a entender as características da célula. Os fatores que afetam a energia gerada pela célula também foram estudados, incluindo eficiência de conversão de energia, quantidade de luz de entrada, área da célula, etc. que afetam o desempenho e nos ajudam a entender o comportamento da célula em um cenário diferente. Com a compreensão da tecnologia de células solares, podemos utilizá-la da melhor maneira possível para atender às nossas necessidades diárias de energia.