AULA 3 - 15-03-2022

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ENERGIAS RENOVÁVEIS II
ENERGIAS SOLAR TÉRMICA E 
FOTOVOLTAICA
 Introdução à energia solar e seu contexto atual;
 Radiação solar;
 Energia solar térmica e fotovoltaica;
 Células fotovoltaicas e seu principio de funcionamento;
 Tecnologia de fabricação de células e módulos fotovoltaicos; 
 Condições de operação e associações de módulos fotovoltaicos;
 Sistema fotovoltaico autônomo com baterias;
 Cargas e controles;
 Conversores CC/CA;
 Sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica e suas normas;
 Dimensionamento;
 Aplicações, perspectivas e considerações econômicas.
Energias Renováveis II – Ementa 
Energias Renováveis II – Cronograma
Aula – Data Conteúdo Programático 
1 – 22/02 Introdução à energia solar e seu contexto atual;
2 – 08/03 Radiação solar;
3 – 12/03 Atividade Avaliativa; 
4 – 15/03 Energia solar fotovoltaica;
5 – 22/03 Células fotovoltaicas e seu principio de funcionamento;
6 – 29/03 Tecnologia de fabricação de células e módulos fotovoltaicos;
7 – 05/04 Condições de operação e associações de módulos fotovoltaicos;
8 – 12/04 Condições de operação e associações de módulos fotovoltaicos;
9 – 19/04 Conversores CC/CA;
10 – 26/04 N1 (Parcial);
Energias Renováveis II – Cronograma
Aula – Data Conteúdo Programático 
11 – 03/05 Dimensionamento;
12 – 10/05 Seminário (Dimensionamento);
13 – 17/05 Sistema fotovoltaico autônomo com baterias;
14 – 21/05 Atividade Avaliativa (Connect);
15 – 24/05 Cargas e controles;
16 – 31/05 Energia solar térmica;
17 – 07/06 Sistema fotovoltaico conectado à rede elétrica e suas normas;
18 – 14/06 Aplicações e perspectivas;
19 – 21/06 Considerações econômicas;
20 – 28/06 N2 (Abrangente)
Energia Solar Fotovoltaica
• Relembrando:
Energias Renováveis II
• A conversão de energia solar em energia elétrica foi verificado pela primeira vez
por Edmond Becquerel em 1839;
• Quando observou que ao iluminar uma solução ácida surgia uma diferença de
potencial entre os eletrodos (semicondutores) imersos nessa solução.
Efeito 
Fotovoltaico
Energia Solar Fotovoltaica
• Efeito Fotovoltaico
Energias Renováveis II
• O efeito fotovoltaico dá-se em materiais da natureza denominados
semicondutores que se caracterizam pela presença de bandas de energia onde
é permitida a presença de elétrons (banda de valência) e de outra totalmente
“vazia” (banda de condução).
Energia Solar Fotovoltaica
• Efeito Fotovoltaico
Energias Renováveis II
• Para uma melhor compreensão do efeito fotovoltaico:
• Considera-se uma célula fotovoltaica de silício (Si) cristalino, o qual é o material
semicondutor mais usado na fabricação de células.
Energia Solar Fotovoltaica
• Efeito Fotovoltaico
Energias Renováveis II
• Os átomos de Si são tetravalentes, ou seja, caracterizam-se por possuírem 4
elétrons de valência que formam ligações covalentes com os átomos vizinhos,
resultando em 8 elétrons compartilhados por cada átomo, constituindo uma
rede cristalina.
Energia Solar Fotovoltaica
• Efeito Fotovoltaico
Energias Renováveis II
• Ao se introduzir nesta estrutura um átomo pentavalente, como, por exemplo, o
fósforo (P), haverá um elétron em excesso fracamente ligado a seu átomo de
origem. Diz-se assim, que o fósforo é um dopante doador de elétrons e
denomina-se dopante n ou impureza n.
Energia Solar Fotovoltaica
• Efeito Fotovoltaico
Energias Renováveis II
• Se, por outro lado, na rede cristalina for introduzido um átomo trivalente, como
o boro (B), haverá a falta de um elétron para completar as ligações com os
átomos de Si da rede. Esta falta de um elétron é denominada lacuna ou buraco.
Diz-se portanto, que o boro é um aceitador de elétrons ou um dopante p.
Energia Solar Fotovoltaica
• Efeito Fotovoltaico
Energias Renováveis II
Energia Solar Fotovoltaica
• Efeito Fotovoltaico
Energias Renováveis II
Energia Solar Fotovoltaica
• Tipos de Células 
Energias Renováveis II
• Células laminadas (wafer based)
• A maioria dos módulos fotovoltaicos utilizados comercialmente é baseada em
células de silício cristalino (c-Si), representando aproximadamente 90% da
produção total de células FV.
• As células de silício podem ser subdivididas em monocristalinas e
policristalinas.
Energia Solar Fotovoltaica
• Tipos de Células 
Energias Renováveis II
• Células laminadas (wafer based)
• Silício Monocristalino
• A célula de silício monocristalino é as mais usadas e comercializadas como
conversor direto de energia solar em eletricidade.
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• Tipos de Células 
Energias Renováveis II
• Células laminadas (wafer based)
• Silício Monocristalino
• A fabricação da célula de silício começa com a extração do cristal de dióxido de
silício. Este material é desoxidado em grandes fornos, purificado e solidificado.
Este processo atinge um grau de pureza em 98 e 99%.
• Este silício para funcionar como células fotovoltaicas necessita de outros
dispositivos semicondutores e de um grau de pureza maior devendo chegar na
faixa de 99,99%.
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• Tipos de Células 
Energias Renováveis II
• Células laminadas (wafer based)
• Silício Policristalino
• As células de silício policristalino são mais baratas que as de silício
monocristalino por exigirem um processo de preparação das células menos
rigoroso.
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• Tipos de Células 
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• Células laminadas (wafer based)
• Arseneto de Gálio
• Outras células laminadas são baseadas em Arseneto de Gálio (GaAs), um
semicondutor composto que apresenta desempenho superior ao silício, com
eficiência de 28,80%.
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• Tipos de Células 
Energias Renováveis II
• Filmes Finos
• As células de filme fino consistem em camadas de materiais semicondutores
depositados sobre um substrato isolante, como vidro ou plástico flexível.
• Exemplos de filmes finos:
• Telureto de Cádmio (CdTe);
• Disseleneto de cobre-índio-gálio (CIGS);
• Silício amorfo hidrogenado (a-Si:H).
Energia Solar Fotovoltaica
• Tipos de Células 
Energias Renováveis II
• Filmes Finos
Disseleneto de cobre-índio-gálio Silício amorfo hidrogenadoTelureto de Cádmio
Energia Solar Fotovoltaica
• Tipos de Células 
Energias Renováveis II
• Células de multijunção
• Cada célula fotovoltaica tem a capacidade de absorver a luz mais
eficientemente numa determinada faixa de comprimento de onda. As células
multijunção, utilizam o empilhamento de duas ou mais células fotovoltaicas, a
fim de cobrir uma maior faixa do espectro de radiação solar, aumentando a
absorção de energia.
• Dessa forma, as células multijunção atingem as mais elevadas eficiências
(38,80%).
Energia Solar Fotovoltaica
• Tipos de Células 
Energias Renováveis II
• Células de multijunção
Energia Solar Fotovoltaica
• Tipos de Células 
Energias Renováveis II
• Concentração Fotovoltaica (CPV) 
• A tecnologia conhecida como Concentrated Photovoltaics (CPV) consiste em
utilizar espelhos ou lentes para concentrar os raios solares sobre células
fotovoltaicas.
• Utiliza-se células mais caras e de elevada eficiência em conjunto com o sistema
concentrador.
• Assim já foi possível atingir 46% de eficiência com uma célula multijunção em
laboratório, e módulos com mais de 36% de eficiência.
Energia Solar Fotovoltaica
• Tipos de Células 
Energias Renováveis II
• Concentração Fotovoltaica (CPV) 
Energia Solar Fotovoltaica
• Eficiência das células fotovoltaicas
Energias Renováveis II
Tecnologia Eficiência
Silício Cristalino
Monocristalino 17 a 21,50%
Policristalino 14 a 17,00%
Filmes Finos 
Silício Amorfo 4 a 8,00%
Telureto de Cádmio (CdTe) 10 a 16,30%
Disseleneto de cobre-índio-gálio (CIGS) 12 a 14,70%
Concentrador fotovoltaico (CPV) 27 a 33,00%
Energia Solar Fotovoltaica
• Geração Fotovoltaica
Energias Renováveis II
• Módulos Fotovoltaicos
• O elemento principal para a geração fotovoltaica é a célula fotovoltaica. Porém,
o aproveitamento em escala comercial desse tipo de energia se fazcom o
auxílio de outros componentes. Primeiramente, as células são agrupadas e
revestidas para formar os módulos fotovoltaicos.
Energia Solar Fotovoltaica
• Processo Fotovoltaico
Energias Renováveis II
Energia Solar Fotovoltaica
• Geração Fotovoltaica
Energias Renováveis II
• Módulos Fotovoltaicos
Energia Solar Fotovoltaica
• Módulo Fotovoltaico
Energias Renováveis II
• Componentes
• Moldura: parte externa estruturante do módulo, geralmente de alumínio. É
através dela que é feita a fixação do módulo.
• Vidro: camada rígida externa que protege as células e condutores do ambiente,
ao mesmo tempo em que permite a entrada de luz para ser convertida em
eletricidade. É um vidro especial, com baixo teor de ferro, com uma camada
anti-reflexiva, e com superfície texturizada, que evitam a reflexão da luz que
atinge o vidro.
Energia Solar Fotovoltaica
• Módulo Fotovoltaico
Energias Renováveis II
• Componentes
• Encapsulante: filme que envolve as células, protegendo-as da umidade e dos
materiais externos, além de otimizar a condução elétrica. O encapsulante mais
utilizado é o EVA (Etil Vinil Acetato).
• Células Fotovoltaicas: componente eletrônico responsável pela conversão direta
da radiação solar em energia elétrica.
Energia Solar Fotovoltaica
• Módulo Fotovoltaico
Energias Renováveis II
• Componentes
• Backsheet: parte inferior do módulo que previne a entrada de umidade e
protege as células de elementos externos. Além disso, oferece isolamento
elétrico adicional. O Tedlar® é o material base mais utilizado para confecção do
backsheet.
Energia Solar Fotovoltaica
• Geração Fotovoltaica – Alternativa 1
Energias Renováveis II
𝐸𝐷 = 𝐸𝑆 × 𝐴𝑚 × η𝑚 × 𝑇𝑑
Como calcular:
Onde:
ED = Energia diária produzida por um módulo fotovoltaico (kWh/dia);
ES = Energia média recebida pelo sol (kWh/m².dia);
Am = Área do modulo fotovoltaico (m²);
ηm = Eficiência do módulo fotovoltaico (%);
Td = Taxa de desempenho do sistema (adimensional)  75 a 85%.
Energia Solar Fotovoltaica
• Geração Fotovoltaica
Energias Renováveis II
𝐸𝑀 = 𝐸𝐷 × 𝑁𝐷𝑚
Onde:
EM = Energia mensal produzida por um módulo fotovoltaico (kWh/mês);
ED = Energia diária produzida por um módulo fotovoltaico (kWh/dia);
NDm = n° de dias no mês.
Energia Solar Fotovoltaica
• Geração Fotovoltaica
Energias Renováveis II
𝑁𝑀 =
𝐸𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎
𝐸𝐴
Onde:
NM = Número de módulos necessários;
Enecessária = Energia anual a ser suprida (kWh);
EA = Energia anual gerada por um módulo fotovoltaico (kWh).
Obs: a energia anual é o somatório da energia gerada durante todos os meses.
Energia Solar Fotovoltaica
• Geração Fotovoltaica – Alternativa 2
Energias Renováveis II
𝑇𝐶 = 𝑇𝑎 + 𝐻𝑡,β × (
𝑇𝑁𝑂𝐶 − 20
800
) × 0,90
Como calcular:
Onde:
TC = Temperatura da Célula (°C);
Ta = Temperatura ambiente  considera-se a temperatura média do mês de referência (°C);
Ht,β = Irradiância no plano gerador (W/m²);
TNOC = Temperatura Nominal de Operação da Célula (°C).
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• Geração Fotovoltaica 
Energias Renováveis II
𝑃𝑚𝑝 = 𝑃𝐹𝑉
0 × [1 − γ𝑚𝑝 × 𝑇𝐶 − 𝑇𝐶,𝑅𝑒𝑓 ]
Onde:
Pmp = Máxima Potência Ideal fornecida pelo Módulo Fotovoltaico (W);
P0 FV = Potência Nominal do Módulo Fotovoltaico (W);
γmp = Coeficiente de Temperatura (%/°C);
TC = Temperatura da Célula (°C);
TC, Ref = Temperatura da Célula em Condições Padrão (°C).
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• Geração Fotovoltaica 
Energias Renováveis II
η𝐼𝑑𝑒𝑎𝑙 =
𝑃𝑚𝑝
𝑃𝐹𝑉
0 × 100%
Onde:
η Ideal = Eficiência Ideal  Conversão Ideal relativo a temperatura (%);
Pmp = Máxima Potência fornecida pelo Módulo Fotovoltaico (W);
P0 FV = Potência Nominal do Módulo Fotovoltaico (W).
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• Geração Fotovoltaica 
Energias Renováveis II
Onde:
PFV= Potência Real fornecida pelo Módulo Fotovoltaico  Potência na Saída do Inversor (W); 
Pmp = Máxima Potência fornecida pelo Módulo Fotovoltaico (W);
P Elétricas = Perdas Elétricas (cabos e conexões) (%);
ηInversor = Eficiência de Conversão do Inversor (%).
𝑃𝐹𝑉 = 𝑃𝑚𝑝 × (1 − 𝑃𝐸𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠) × η𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟
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• Geração Fotovoltaica 
Energias Renováveis II
Onde:
ED = Energia Diária Gerada (kWh/dia);
PFV= Potência Real fornecida pelo Módulo Fotovoltaico  Potência na Saída do Inversor (W); 
ES = Energia média recebida pelo sol (kWh/dia);
𝐸𝐷 = (𝑃𝐹𝑉 × 𝐸𝑆)/1000
Energia Solar Fotovoltaica
• Geração Fotovoltaica 
Energias Renováveis II
Onde:
EM = Energia Mensal Gerada (kWh/mês);
ED = Energia Diária Gerada (kWh/dia);
NDm = n° de dias no mês.
𝐸𝑀 = 𝐸𝐷 × 𝑁𝐷𝑚
Energia Solar Fotovoltaica
• Geração Fotovoltaica
Energias Renováveis II
𝑁𝑀 =
𝐸𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎
𝐸𝐴
Onde:
NM = Número de módulos necessários;
Enecessária = Energia anual a ser suprida (kWh);
EA = Energia anual gerada por um módulo fotovoltaico (kWh).
Obs: a energia anual é o somatório da energia gerada durante todos os meses.
Energia Solar Fotovoltaica
• Geração Fotovoltaica
Energias Renováveis II
𝑃𝐼 = 𝑁𝑀 × 𝑃𝑀
Onde:
PI = Potência Instalada Total (Wp ou kWp);
NM = Número de módulos necessários;
PM = Potência do módulo fotovoltaico escolhido (Wp ou kWp).
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• Geração Fotovoltaica
Energias Renováveis II
𝐴𝑇 = 𝐴𝑀 × 𝑁𝑀 × 1,10
Onde:
AT = Área total ocupada pelo sistema (m²);
NM = Número de módulos necessários;
AM = área de um módulo fotovoltaico (m²);
Coeficiente (1,10) = adota-se 10% a mais da área bruta 
ocupada pelos módulos devido ao espaçamento entre 
eles.
𝑃𝑇 = 𝑃𝑀 × 𝑁𝑀
Onde:
PT = Peso total do sistema (kg);
NM = Número de módulos necessários;
PM = peso de um módulo fotovoltaico (kg);
Energia Solar Fotovoltaica
• Praticando:
• 1) Calcular a geração diária e mensal por um módulo fotovoltaico para o município de 
Chapecó, utilizando os dois métodos, para as inclinações de 0°, 27° e 47°N.
• Considerar: Taxa de Desempenho (TD) = 80,50%; Perdas Elétricas = 9,00% e Eficiência 
do Inversor = 98,00% e o módulo fotovoltaico de sua escolha (observar datasheet).
Energias Renováveis II
Energia Solar Fotovoltaica
• Praticando:
• 2) Considerando o consumo de energia mensal abaixo, com base nos dados obtidos 
anteriormente calcular:
• a) o número de módulos necessários;
• b) a Potência Total Instalada;
• c) a geração mensal de energia;
• d) a área total ocupada pelo sistema fotovoltaico;
• e) o peso total do sistema fotovoltaico.
Energias Renováveis II
Energia Solar Fotovoltaica
Energias Renováveis II
7.599,00
Total 75.065,00
Mínimo 4.646,00
Média 6.255,42
Máximo 8.583,00
Outubro
Novembro
6.554,00
6.144,00
Janeiro 8.583,00
Maio
Junho 6.628,00
Fevereiro
Março
Setembro 7.806,00
4.646,00
5.345,00
5.294,00
5.785,00
Julho
Agosto
Abril
Dezembro 5.869,00
4.812,00
Consumo de energia mensal
Mês Consumo (kWh)