PROJETO DE IMPLANTAÇÃO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO RESIDENCIAL

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na temperatura do zero absoluto (0 K). Na tabela periódica, os elementos semicondutores pertencem principalmente aos grupos 14 a 16, incluindo Carbono (C), Silício (Si), Germânio (Ge), Arsênio (As), Fósforo (P), Selênio (Se) e Telúrio (Te).

A separação entre as duas bandas de energia permitidas dos materiais semicondutores, denominada de banda proibida (bandgap, ou simplesmente gap) e representada por Eg, pode atingir até 3 eV (elétronvolt), diferenciando estes materiais dos materiais considerados isolantes, onde a banda proibida supera este valor.

As bandas são, na realidade, compostas por um conjunto de inúmeros valores discretos permitidos de energia bastante próximos, por isso muitas vezes são consideradas como contínuas.

Em função da existência de bandas de energia, uma característica importante dos semicondutores é o aumento da condutividade com a temperatura, proporcionado pela excitação térmica de elétrons da banda de valência para a banda de condução, deixando na banda de valência as lacunas, as quais constituem portadores de carga positiva, cuja mobilidade, todavia, é cerca de um terço da dos elétrons na banda de condução.

Assim, para temperaturas superiores a 0 K, há sempre no semicondutor um certo número de elétrons ocupando a banda de condução e o mesmo número de lacunas na banda de valência, denominados portadores intrínsecos, cuja concentração pode ser expressa pelas Equações 1.1 e 1.2. Para o Si o valor de ni citado pela literatura é de 1,45x1010/cm3 na temperatura de 300K.

n_i^2?B.e_kT^(-Eg) (1.1)

n=p=n_i (1.2)

Onde:

n_i - concentração de portadores intrínsecos;

n - concentração de portadores negativos (elétrons);

p - concentração de portadores positivos (lacunas);

k - constante de Boltzmann (1,381 x 10-23 J/K);

E_g - Energia do gap do material (1,12eV para o silício);

T - Temperatura absoluta (K)

B - Constante aproximada para os semicondutores (~?10?^39/?cm?^6)

Os elétrons preenchem os níveis de energia vagos a partir do fundo da banda de condução para cima. As lacunas, contudo, ocupam os níveis a partir do topo da banda de valência para baixo.

Além da geração térmica, há ainda a possibilidade de geração de portadores por meio de energia cinética de partículas (prótons, nêutrons etc.) que atinjam o material, a chamada ionização por impacto. Mas a propriedade fundamental que permite a fabricação de células fotovoltaicas é a possibilidade de fótons incidentes no material, com energia superior à Eg do gap, também gerarem pares elétron-lacuna.

A absorção de fótons com energia superior ao Eg resulta em dissipação da energia em excesso como calor no material, no fenômeno denominado termalização. Estes elétrons e lacunas fotogerados podem mover-se dentro do material e aumentam sua condutividade elétrica, o que é denominado de efeito fotocondutivo.

Contudo, para o aproveitamento de corrente e tensão elétricas é necessário aplicar um campo elétrico, a fim de separar os portadores, o que se consegue através da chamada junção pn. Para construí-la, é necessário introduzir de forma controlada impurezas no semicondutor, ou seja, realizar a dopagem, que consiste na introdução de pequenas quantidades de outros elementos, denominadas impurezas ou dopantes, que mudam drasticamente as propriedades elétricas do material intrínseco.

A diferença de potencial entre as regiões p e n pode ser entendida como resultado das diferenças no Nível de Fermi (Efe), que corresponde ao nível médio de energia dos portadores no material, nos dois materiais. Quando estes materiais entram em contato, a situação de equilíbrio é alcançada quando os níveis de Fermi se igualam, o que ocorre pelo fluxo inicial de portadores e pelo estabelecimento do campo elétrico e da diferença de potencial, que é a responsável por impelir a corrente fotogerada.

Na figura 1 temos um exemplo de uma estrutura básica de célula fotovoltaica de silício, onde: (1) região tipo n; (2) região tipo p, (3) zona de carga espacial, onde se formou a junção pn e o campo elétrico; (4) geração de par elétron-lacuna; (5) filme antirreflexo; (6) contatos metálicos.

Figura 1: Estrutura básica de uma célula fotovoltaica de silício.

Os fatores que limitam a eficiência de conversão de uma célula fotovoltaica são: 1) reflexão na superfície frontal; 2) sombra proporcionada pela área da malha metálica na face frontal; 3) absorção nula de fótons de energia menor que do que o gap (Ef < Eg); 4) baixa probabilidade de coleta, pela junção pn, dos portadores de carga gerados fora da zona de carga espacial; 5) recombinação dos portadores de carga, isto é, o “reencontro” dos elétrons e lacunas em impurezas e defeitos do material e 6) resistência elétrica no dispositivo e nos contatos metal-semicondutor, bem como possíveis caminhos de fuga da corrente elétrica (resistência em paralelo).

Objetivos

Este trabalho tem como objetivo expor o funcionamento do sistema fotovoltaico, suas vantagens e mostrar a sua viabilidade a partir de um orçamento.

Desenvolvimento

Os sistemas fotovoltaicos, podem ser divididos em dois grandes grupos: sistemas isolados (off-grid) e sistemas conectados à rede (grid-tie). Os sistemas isolados são aqueles que não se integram a rede elétrica e geralmente são utilizados em locais remotos ou onde o custo de acesso a rede é maior que o custo do próprio sistema. Normalmente estes sistemas utilizam bateria para armazenar a energia. Já os sistemas conectados à rede servem como qualquer outra forma de geração de energia que utilizamos a partir da rede elétrica e são utilizados como substitutos destas outras fontes de energia. Neste caso não há necessidade de armazenamento.

Para um sistema residencial que é o estudo desse trabalho as placas fotovoltaicas são instaladas no telhado da casa. No hemisfério sul os módulos devem ser direcionados para o Norte geográfico ou verdadeiro, que é ligeiramente diferente do norte magnético indicado pela bússola.

A maior inclinação dos módulos

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