Unidade I Aula 06 O Efeito Fotoelétrico e Células Solares FV

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Tecnologia Solar e o Efeito Fotovoltaico 
TECNOLOGIA SOLAR 
EFEITO FOTOVOLTAICO 
Tecnologia de Sistemas Solares FV 
 Os sistemas solares fotovoltaicos podem ser classificados em 
três tipos: 
◦ Sistemas isolados ou autônomos com e sem armazenamento; 
◦ Sistemas híbridos em conjugação com uma ou mais fontes de energia 
para além da fotovoltaica; 
◦ Sistemas conectados à rede. 
Sistemas isolados (Com armazenamento) 
Os sistemas isolados são sistemas constituídos por: 
 Conjunto de painéis; 
 Regulador de carga; 
 Uma ou mais baterias; 
 e um inversor. 
Sistemas isolados (Com armazenamento) 
Potência do Consumo (W) Tensão do Sistema Solar FV (V) 
<1500 12 
1500 – 5000 24 ou 48 
> 5000 120 ou 300 
Definição do nível de tensão do sistema 
Sistemas isolados (Com armazenamento) 
Sistema de 24V 
- 
+ 
- 
+ 
- 
+ 
- 
+ 
- 
+ 
- 
+ 
- + - + - + - + - + - + Banco de Baterias 24V 
(células de 2V) 
- + - + 
Regulador 
Sistemas isolados (Com armazenamento) 
Sistema de 12V 
- + - + - + - + - + - + 
- + - + 
Regulador 
Banco de Baterias 12V (células de 2V) 
Sistemas isolados (Sem armazenamento) 
Características: 
• Consumo imediato; 
• Geralmente aplicados em sistemas de bombeamento; 
• Mais baratos; 
• Não armazenam energia. 
Sistemas isolados 
Painel 
Fotovoltaico 
Regulador 
MPPT 
Monitoramento 
Quadro 
Elétrico 
Carga em DC 
Carga em AC 
Rede 
UC 
Sistemas Híbridos (Autônomos) 
Fonte: FFsolar 
Sistemas Híbridos (Autônomos) 
Fonte: BLpower 
Sistemas Híbridos (Autônomos) 
Fonte: Yeskey 
Rendimento de sistemas FV conectados 
Para um sistema FV com uma potência ≈ 1 kWp 
1.003 kWh 
977 kWh 
940 kWh 
919 kWh 
882 kWh 
866 kWh 
788 kWh 
788 kWh 
2,5% 
3,5% 
2,0% 
3,5% 
1,5% 
7,5% 
7,5% 
Desvio do rendimento nominal do módulo e da radiação 
de 1000W/m² 
Sujeira do módulo 
Temperatura do módulo 
Sombreamentos 
Perdas do lado DC 
Erros no seguimento do MPPT 
Perdas no inversor 
Perdas em CA e no contador 
Os efeitos fotovoltaicos e fotoelétrico 
A célula solar FV funciona quando a luz incide sobre certas substâncias e 
desloca elétrons que, circulando livremente de átomo para átomo, 
formam uma corrente elétrica. 
São os fótons com uma faixa de luz visível que fazem com que exista a 
agitação e que os elétrons da banda de valência passem para a banda de 
condução. 
O efeito fotoelétrico 
O efeito fotoelétrico 
• A célula fotovoltaica é uma aplicação prática do efeito fotoelétrico 
descoberto em 1887 pelo físico alemão Rudolf Hertz e explicado em 
1905 por Albert Einstein. 
• Grande parte das células solares são feitas de Silício (Si) que tem o 
número atômico 14. 
• A sua distribuição eletrônica é 2, 8, 4. Significa que possui quatro 
elétrons de valência, procurando se ligar com 4 átomos de Si de maneira 
a ficar quimicamente estável. 
O Si, como substância simples, não conduz corrente elétrica, pois não possui elétrons de 
valência. 
Solução → Adicionar ao Si dois tipos de elementos: 
 O Boro (B), com número atômico 5 e distribuição 2, 3. 
 E o Fósforo (P), com número atômico 15 e distribuição 2, 8, 5. 
O efeito fotovoltaico 
A junção Si – P é chamada de junção (-), pois existe um “excesso” de 
elétrons desemparelhados. 
A junção Si – B é chamada de junção (+), pois existe um “déficit” de 
elétrons desemparelhados. 
 
Silício 
Metalúrgico 
Silício Grau 
Solar 
Lingotes e 
Waffers 
Célula de 
Silício Grau 
Solar 
Módulo 
Fotovoltaico 
Cadeia simplificada da indústria FV 
O efeito fotoelétrico 
Semicondutores 
• Os bons condutores oferecem pouca resistência, ao passo que o fluxo 
de elétrons se opõe a uma elevada resistência. 
• Os semicondutores apresentam resistência intermediária em ambos os 
extremos (entre a camada isolante e a camada condutora). 
 
Semicondutores 
• Semicondutor intrínseco é aquele encontrado na natureza na sua 
forma mais pura, ou seja a concentração de portadores de carga positiva 
é igual à concentração de portadores de carga negativa. 
• Semicondutores extrínsecos ou dopados são semicondutores 
intrínsecos onde introduzimos uma impureza para controlarmos as 
características elétricas do semicondutor. 
Junção PN 
 Uma junção P-N consiste numa interface entre duas diferentes camadas 
dopadas de um material semicondutor. Uma destas camadas é dopada 
com um dopante de tipo positivo e a outra com um dopante de tipo 
negativo, estabelecendo um campo elétrico que define a direção de um 
fluxo de elétrons estimulados pela luz ou pelo calor. 
Fonte: http://www.wikienergia.pt/~edp/images/e/ea/JuncaoP-N.jpg 
Polarização 
 Polarização reversa 
 
Fonte: http://gvensino.com.br/ 
Polarização 
 Polarização reversa 
 
Fonte: http://gvensino.com.br/ 
Polarização 
 Polarização reversa 
 
Fonte: http://gvensino.com.br/ 
Polarização 
 Polarização direta 
 
Fonte: http://gvensino.com.br/ 
Polarização 
 Polarização direta 
 
Fonte: http://gvensino.com.br/ 
Polarização 
 Polarização direta 
 
Fonte: http://gvensino.com.br/ 
Polarização 
 Polarização direta 
 
Fonte: http://gvensino.com.br/ 
Junção p-n sob iluminação 
Fonte: Carneiro, J. (2010) 
Junção p-n sob iluminação 
Fonte: Carneiro, J. (2010) 
Na presença do campo elétrico, os elétrons irão mover-se para a região do 
semicondutor do tipo n, enquanto as lacunas irão se deslocar para a 
região do semicondutor do tipo p dando origem à designada corrente 
gerada pela luz, IL. 
Junção p-n sob iluminação 
Fonte: Carneiro, J. (2010) 
Nestas circunstâncias, o sistema recairia num estado que se traduziria na 
perda da sua neutralidade elétrica. Com efeito, nesta situação, o SC n 
ficaria com excesso de elétrons enquanto o SC p teria um correspondente 
excesso de lacunas. 
Porém, isso não 
acontece devido a 
região de depleção 
Junção p-n sob iluminação 
Fonte: Carneiro, J. (2010) 
Entretanto, se um fio condutor for utilizado para ligar a região do 
semicondutor do tipo n à região do semicondutor do tipo p, verifica-se 
que o excesso de elétrons irão se movimentar através do fio condutor de 
modo a se combinarem com o excesso de lacunas existentes no SC p. 
Modelo equivalente de uma célula FV 
 O comportamento de uma célula fotovoltaica é equivalente ao de um 
diodo de junção PN. O modelo desta célula é representado por uma 
fonte de corrente. 
 A corrente elétrica em uma célula FV pode ser considerada como a 
soma da corrente de uma junção pn no escuro (diodo semicondutor) 
com a corrente gerada pelos fótons absorvidos na radiação solar. 
 
 V Z 
I 
ID 
IL 
Modelo equivalente de uma célula FV 
 V Z 
I 
ID 
IL 
0( ) ( 1)
V
m Vt
L D LI A I I I I e
    
t
K T
V
q


m – fator de idealidade do diodo 
Vt – Potêncial térmico 
I0 – corrente de saturação do diodo 
K – constante de Boltzman 
 
 
Equação de Schockley 
No escuro, IL = 0 (Comportamento da célula = diodo) 
Modelo equivalente de uma célula FV 
 Parâmetros funcionais específicos e característicos de células 
fotovoltaicas: 
 ICC – Corrente de Curto-Circuito (short-circuit): É a máxima corrente que 
circula por uma célula sob a incidência de iluminação (condição 
específica), quando seus terminais de interconexão estão na condição 
de curto-circuitados. Nessa situação, a tensão é nula (V = 0 Volts), o que 
corresponde a uma resistência de carga igual a zero (RL=0Ω). 
A corrente de curto-circuito é função direta da radiação 
incidente. 
Modelo equivalente de uma célula FV 
 VCA – Tensão de Circuito-Aberto (open-circuit): É a máxima tensão 
entre os terminais uma célula sob a incidência de iluminação, quando 
seus terminais de interconexão estão em aberto e a corrente que 
circula por ela é nula (I = 0 Ampéres), o que corresponde a uma 
resistência de carga infinita. (RL= ∞Ω). Essa variável é dependente da 
temperatura da célula. 
Fonte: Almir Ghensev. 
Modelo equivalente de uma célula FV 
 PMAX – Ponto de máxima potência: É o ponto da curva I x V para o 
qual o produto tesão x corrente representa o máximo de eficiência. É 
obtido ao variar a resistência de carga entre os valores zero (curto-
circuito) a infinito (circuito-aberto) entre os pontos de corrente e 
tensão, e este ponto encontra-se próximo ao joelho da curva (Wp). 
Fonte: Almir Ghensev. 
Modelo equivalente de uma célula FV 
 Parâmetros Icc e VCA: 
Fonte: Cresesb 
ln 1 sCA T
o
I
V m V
I
 
    
 
s L ccI I I 
• Circuito aberto, I(A) = 0 
• Curto circuito 
 
Modelo equivalente de uma célula FV 
Fonte: Almir Ghensev. 
Modelo equivalente de uma célula FV 
 A eficiência de conversão energética é dada pelo rendimento, 
representada pela letra grega: η (eta) é dada pela equação: 
Fonte: Almir Ghensev. 
máxP
A G
 

G 
A 
Modelo equivalente de uma célula FV 
 A razão entre a potência de pico e o produto Vca e Icc é denominado 
de fator de forma. 
 
 
 
 
 O Fator de Forma ou Fator de Preenchimento (FF) é um parâmetro 
que, juntamente com os índices de VCA e ICC, determinam a Potência 
Máxima real da célula fotovoltaica (Pmáx). 
Fonte: Almir Ghensev. 
máx
CA CC
P
FF
V I

Modelo equivalente de uma célula FV 
Fonte: pveducation.org/pvcdrom 
Valores típicos de fator de forma: 
- m-Si: 0,6 a 0,85 
- a-Si: 0,5 a 0,7 
Modelo equivalente de uma célula FV 
Fonte: pveducation.org/pvcdrom 
Modelo real de uma célula FV 
 Existe também o modelo real da célula solar fotovoltaica. 
 V Z 
I 
ID 
IL 
Rp 
Rs 
ID IP 
Resistência em série (RS): é a resistência da própria 
célula, que junta a resistência elétrica do material com a 
resistência elétrica dos contatos metálicos, denominadas 
perdas por efeito Joule. 
Modelo real de uma célula FV 
 Existe também o modelo real da célula solar fotovoltaica. 
 V Z 
I 
ID 
IL 
Rp 
Rs 
ID IP 
Resistência em paralelo (Rp): resistência que advém do próprio 
processo de fabricação e que caracteriza as correntes parasitas 
que circulam na célula devido principalmente a pequeníssimas 
imperfeições na estrutura do material. 
Modelo real de uma célula FV 
 Dessa forma, a corrente que chega à carga é determinada através da 
seguinte expressão: 
0( ) ( 1)
V Rs I
sVt
L D p L
p
V R I
I A I I I I I e
R
 
 
      
Modelo real de uma célula FV 
 Influência da resistência em série (RS) na célula fotovoltaica. 
Fonte: “Laboratórios de Energia Solar Fotovoltaica”, Manuel Oliveira e Filipe Pereira 
Modelo real de uma célula FV 
 Influência da resistência em paralelo(Rp) na célula fotovoltaica. 
Fonte: “Laboratórios de Energia Solar Fotovoltaica”, Manuel Oliveira e Filipe Pereira 
Modelo real de uma célula FV 
 Curva de uma módulo comercial 
Fonte: http://www.cienciaviva.pt/rede/energia/himalaya2005/home/guia4.pdf. 
Modelo real de uma célula FV 
 Parâmetros de influência 
Fonte: FER - Fontes de Energia Renováveis.“Energia Fotovoltaica – Manual sobre Tecnologias, 
Projectos e Instalações, Volume III”. Projecto parcialmente financiado pela Comissão Europeia, designadamente através do 
programa ALTENER, 2004. 
Modelo real de uma célula FV 
 Parâmetros de influência 
Fonte: FER - Fontes de Energia Renováveis.“Energia Fotovoltaica – Manual sobre Tecnologias, 
Projectos e Instalações, Volume III”. Projecto parcialmente financiado pela Comissão Europeia, designadamente através do 
programa ALTENER, 2004. 
Diodos by-pass e bloqueio 
Diodos by-pass 
0,6V 
0,6V 
0,6V 
Diodos by-pass 
Hotspots 
Hotspots 
PRÓXIMA AULA: TECNOLOGIA DE SISTEMAS 
SOLARES FV 
"Julgue seu sucesso pelas coisas que você teve que renunciar para conseguir" 
Dalai Lama.