PARTE
AL 3.1
RADIAÇÃO E POTÊNCIA ELÉTRICA DE UM PAINEL FOTOVOLT FOTOVOLTAICO AICO
4
OBJETIVO GERAL Investigar a influência da irradiância e da diferença de potencial elétrico no rendimento de um painel fotovoltaico. A realização da atividade laboratorial proposta irá permitir investigar o efeito da variação da irradiância no rendimento de um painel fotovoltaico através da alteração da inclinação da iluminação relativamente ao painel e pela interposição de filtros. A elaboração e análise do gráfico da potência elétrica do painel fotovoltaico, em função da tensão de saída, permitem avaliar o valor da diferença de potencial elétrico que otimiza o rendimento do painel (valor máximo da potência).
R e l a t ó r i o d a s a t i v i d a d e s l a b o r a t o r i a i s
A eficiência de conversão, ou rendimento, de uma célula fotovoltaica é definida como o quociente entre a potência elétrica fornecida pela célula e a potência da luz que incide na superfície da célula fotovoltaica. A potência fornecida por um painel fotovoltaico depende de condições ambientais, designadamente a irradiância e a temperatura, e da tensão nos seus terminais. Para maximizar a sua potência, o painel deve estar orientado d e forma que a irradiância seja máxima. Fenómenos de sombreamento (nuvens, poeiras, entre outros) diminuem a capacidade de absorver a radiação.
PARTE I Preparação da atividade laboratorial O que é preciso saber… 1
O que são painéis fotovoltaicos fotovoltaicos e o que se entende por conversão fotovoltaica fotovoltaica da energia solar? solar?
São dispositivos constituídos por uma associação de células fotovoltaicas que convertem energia solar em energia elétrica — conversão fotovoltaica fotovoltaica —, a qual se manifesta ma nifesta no aparecimento apareci mento de uma diferença de potencial elétrico nos seus terminais. 2
Sabendo que a eficiência de uma célula fotovoltaica fotovoltaica depende de diversos fatores, responda às questões seguintes. 2.1 Como se determina o rendimento de conversão de uma célula fotovoltaica?
Pelo quociente entre a potência elétrica fornecida pela célula e a potência da radiação incidente incidente na célula. superfície ície da célula fotovoltaica. fotovoltaica. 2.2 Identifique fatores que alteram a potência incidente na superf
A insolação solar e a vizinha vizinhança nça da célula (esta última no modo como reflete, difunde e difrata a radiação incidente, atuando como uma u ma fonte indireta de radiação) radiação).. célula: 2.3 Pesquise sobre o efeito, na potência elétrica máxima da célula: a)
da temperatura;
A potência gerada diminui com o aumento da temperatura de trabalho da célula fotovoltaica. A temperatura afeta essencialmente a tensão em circuito aberto, a qual diminui com o aumento da temperatura. Em consequência, a tensão máxima também diminui, fazendo com que a potência também diminua sem que se verifique grande alteração na intensidade de corrente em circuito ci rcuito fechado.
4000 W / a i c n 3000 ê t o P 2000 1000 0 0
20
40
60
80
1 00 1 20
14 0
Tensão/V
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As curvas da potência gerada em função da tensão nos seus terminais (gráfico da página anterior) foram obtidas para diferentes temperaturas do meio ambiente e para uma radiação constante de 1000 W m 2.
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-
s i a i r o t a r o b a l s e d a d i v i t a s a d o i r ó t a l e R
Fonte: https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/395139430142/RelatorioInversorFotovoltaicoEstagioUnico.pdf, disponível em setembro de 2014.
b) da diferença de potencial elétrico nos seus terminais (tensão de saída).
Para cada célula existe uma tensão de saída que otimiza o valor de potência da célula. 3
A taxa da eficiência da conversão fotovoltaica das células solares comerciais é, em geral, relativamente baixa. Numa célula de 4 cm2 de silício a funcionar a 25 °C, o valor máximo obtido é de 24,7 % para uma incidência de 1000 W m-2 quando é inclinada a um ângulo correspondente à latitude do lugar. Qual é o significado do valor 24,7 %?
Significa que, por cada 100 W de potência incidente, esta célula fornece no máximo 24,7 W de potência elétrica. Sugestão para o professor: Explorar o simulador solar disponível em:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php#, disponível em dezembro de 2014 Refletir e construir o procedimento experimental… 1
Identifique as grandezas a medir para calcular a potência elétrica fornecida ao circuito exterior pelo painel fotovoltaico e o nome dos instrumentos de medida a utilizar para medir essas grandezas.
As grandezas a medir são: diferença de potencial ( U ), medida com um voltímetro, e intensidade de corrente elétrica ( I ), medida com um amperímetro. 2
Para simular a variação da resistência elétrica num circuito utilizam-se reóstatos. Explicite o que é um reóstato e descreva sucintamente o seu princípio de funcionamento.
Um reóstato é um dispositivo que permite variar a resistência elétrica exterior no circuito. É constituído por um condutor de um determinado comprimento e um cursor que se move ao longo do condutor. Nestas condições, variando-se a posição do cursor, varia-se o comprimento do condutor e, portanto, a sua resistência elétrica. 3
Faça a representação esquemática do circuito simples que integra um painel fotovoltaico, um amperímetro e uma resistência variável à qual se associa um voltímetro. Módulo FV
A
R
V
4
Para o estudo qualitativo dos fatores que alteram a potência incidente na superfície da célula, altera-se a inclinação do painel fotovoltaico e colocam-se filtros entre a fonte e o painel. 4.1 O que se pretende estudar com a alteração da inclinação do painel fotovoltaico?
Pretende-se verificar que, para inclinações diferentes, a irradiância é diferente e que existe uma inclinação para a qual a potência fornecida é máxima. 4.2 Qual é o objetivo de se colocarem filtros?
A utilização de filtros simula fenómenos de sombreamento (seleciona gamas espetrais diferentes) no painel fotovoltaico e reduz a intensidade luminosa à superfície da célula. 164
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Para o estudo da variação da potência elétrica fornecida ao circuito pelo painel fotovoltaico em função da tensão de saída do painel, vão realizar-se vários ensaios. Para cada ensaio, identifique: a)
a(s) variável(eis) controlada(s);
Variáveis a controlar: a inclinação do painel; utilizar a mesma lâmpada; manter a distância da lâmpada ao painel; manter a iluminação do laboratório; manter os mesmos objetos na vizinhança. b) a(s) variável(eis) cujo valor varia no decurso do ensaio.
Variáveis a alterar no decurso do ensaio: a posição do cursor no reóstato, para que o valor da resistência elétrica varie. 6
Justifique o facto de, durante a realização de todos os ensaios, ser necessário manter as condições de iluminação do laboratório e os mesmos objetos na vizinhança.
4 R e l a t ó r i o d a s a t i v i d a d e s l a b o r a t o r i a i s
O rendimento de uma célula fotovoltaica depende da potência da radiação incidente e tem o contributo da radiação proveniente diretamente da fonte e da radiação refletida e difundida pelos obstáculos que se encontram na sala.
PARTE II Execução da atividade laboratorial Material utilizado no procedimento experimental… • • • • • • • • •
Painel fotovoltaico Candeeiro com lâmpada de incandescência Amperímetro Voltímetro Resistência variável (reóstato) Interruptor Fios de ligação Filtros Régua e transferidor
Execução do procedimento experimental Faça a montagem experimental que lhe permita efetuar a medi ção das grandezas necessárias para investigar o efeito da variação da irradiância na potência do painel fotovoltaico e que permita avaliar o valor da diferença de potencial elétrico que otimiza o rendimento do painel (valor máximo da potência). — Durante a realização de todos os ensaios, tenha em atenção o controlo de variáveis, nomeadamente: a distância entre o candeeiro (que irá simular a radiação solar) e o centro do painel fotovoltaico; as condições de iluminação do laboratório; e manter os mesmos objetos na vizinhança. — A fonte de radiação deve ser ligada alguns instantes antes de efetuar as medições, de forma a uniformizar a temperatura do painel e minimizar a influência da temperatura na potência gerada. — Baseie-se no circuito simples que representou anteriormente e no material disponível.
A — Estudo do efeito da variação da irradiância na potência de um painel fotovoltaico • Planifique o modo de realização da experiência sabendo que se pretende investigar o efeito da variação da irradiância através da inclinação da iluminação relativamente ao painel e pela interposição de filtros. SUGESTÃO: Meça a potência fornecida à resistência, a partir das medidas no voltímetro e no amperímetro, para diferentes ângulos com a normal à célula e diferentes filtros.
• Execute a experiência, seguindo a metodologia escolhida, e conceba tabelas de registo de dados de forma a sistematizar a informação relevante sobre os instrumentos de medida (grandeza física; menor divisão de leitura; digital/analógico; incerteza absoluta de leitura) e a efetuar o registo das medições diretas e indiretas realizadas (diferença de potencial; intensidade da corrente elétrica e potência;
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Construa e interprete o gráfico da potência elétrica em função da diferença de potencial elétrico nos terminais do painel fotovoltaico, determinando a diferença de potencial elétrico qu e otimiza o seu rendimento. SUGESTÃO: Utilize a calculadora gráfica ou folha de cálculo.
W / 0,0350 P
0,0300
P
=
Diferença de potencial que otimiza o rendimento do painel: U ótima 0,315 V
f (U )
0,0250
=
0,0200 0,0150 0,0100
4 R e l a t ó r i o d a s a t i v i d a d e s l a b o r a t o r i a i s
0,0050 0,0000 0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500 U /V
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Elabore um relatório (ou síntese, oralmente ou por escrito, ou noutros formatos) sobre a atividade laboratorial realizada.
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Após a realização da experiência e o tratamento dos dados compare e discuta, com os restantes grupos, os resultados experimentais obtidos, concluindo quanto à influência da variação da irradiância, devido ao ângulo de incidência da radiação e pela interposição de filtros, e em que condições é que se obteve um maior rendimento.
Existe um valor de tensão para o qual é máxima a potência elétrica fornecida pelo painel. O rendimento é máximo quando a radiação incide segundo um ângulo de 0° com a normal ao painel. Deve ter dissipadores de calor, pois, com o aumento da temperatura, o rendimento diminui. Colocar o painel numa zona de modo a minimizar os efeitos de sombra provocados pelos obstáculos da vizinhança.
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