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Aproveitamento de Energia Solar – Caracterização de um painel fotovoltaico 1/17
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Aproveitamento de Energia Solar
Caracterização de um painel fotovoltaico
Projeto FEUP 2016/2017 - Mestrado Integrado de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores
Manuel Firmino da Silva Torres Sara Maria Pinho Ferreira
1MIEEC8 - Equipa 1:
Supervisor: Vítor Grade Tavares Monitor: Alexandre Carvalho Truppel
Estudantes & Autores:
Francisco Pereira [email protected] Heber Ribeiro [email protected]
João Gomes [email protected] Joaquim Rua [email protected]
Sílvia Faria [email protected]
Aproveitamento de Energia Solar – Caracterização de um painel fotovoltaico 2/17
Resumo
Este trabalho foi realizado no âmbito da disciplina Projeto FEUP, do 1º ano do Mestrado
Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto. Os principais objetivos foram os seguintes:
Ganhar experiência no manuseio de equipamentos de medida, como o multímetro;
Familiarização e realização de montagens elétricas em placas de montagem;
Determinar a característica I-V de um painel fotovoltaico e interpretar o
comportamento da célula, quando sujeita a diferentes tipos de iluminação e
sombreamento.
O método experimental passou por criarmos vários cenários para o painel solar.
Executámos as medições da diferença de potencial e da intensidade da corrente no circuito
elétrico quando o painel solar utilizava a luz de uma lâmpada incandescente e de uma
lâmpada LED com resistências fixas de diferentes capacidades e com um reóstato.
Descobrimos a influência que o comprimento de onda tem sobre o desempenho do painel
solar e determinámos as curvas características I-V. Por fim ligamos dois painéis inicialmente
em paralelo e em seguida em série, e em cada um dos casos verificamos a corrente curto-
circuito e a tensão do circuito aberto. Por fim repetimos o mesmo processo só que ligando um
LED aos terminais e observamos a intensidade da luz do LED sem e com um dos painéis
sombreados, registando também os valores da tensão e da corrente elétrica. Esta última
experiência foi apenas realizada com a lâmpada incandescente.
Palavras-chave:
Painel fotovoltaico, Energia Solar, Diferença de potencial, Corrente elétrica, Resistências.
Material:
Placa de montagem
Painel fotovoltaico
Resistências (22kΩ, 18kΩ, 12kΩ, 8k2Ω, 6k8Ω, 5k6Ω)
Potenciómetro
LED
Multímetro
Lâmpada incandescente
Lâmpada LED
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Lista de Figuras
Figura 1 - Fórmula da Lei de Ohm.
Figura 2 - Esquema de montagem do circuito da experiência inicial.
Figura 3 - Montagem do circuito da experiência inicial.
Figura 4 - Tabela de resultados da experiência inicial.
Figura 5 - Gráfico U/I resultante após incidência no painel de energia luminosa proveniente
da lâmpada incandescente.
Figura 6 - Gráfico U/I resultante após incidência no painel de energia luminosa proveniente
da lâmpada LED.
Figura 7 - Esquema da montagem da segunda experiência com o reóstato.
Figura 8 - Imagem do circuito montado na placa (segunda experiência).
Figura 9 - Gráfico da curva de característica para a lâmpada de incandescência (segunda
experiência).
Figura 10 - Gráfico da curva de característica para a lâmpada LED (segunda experiência).
Figura 11 - Gráfico da potência em função da tensão para a lâmpada de incandescência
(segunda experiência).
Figura 12 - Gráfico da potência em função da tensão para a lâmpada LED (segunda
experiência).
Figura 13 - Esquema de montagem de painéis em paralelo (experiência final).
Figura 14 - Esquema de montagem de painéis em série (experiência final).
Figura 15 - Esquema de montagem dos PVP em paralelo com LED (experiência final).
Figura 16 - Montagem dos PVP em paralelo com o LED (experiência final).
Figura 17 - Esquema de montagem dos PVP em série com LED (experiência final).
Figura 18 - Montagem dos PVP em série com o LED (experiência final).
Lista de Acrónimos
I – Intensidade de corrente;
V – Diferença de potencial;
mA – miliampere;
V (unidade) – volt.
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Índice
Resumo ........................................................................................................................... 2
Palavras-chave ............................................................................................................... 2
Material ............................................................................................................................ 2
Lista de Figuras .............................................................................................................. 3
Lista de Acrónimos ........................................................................................................ 3
Introdução ....................................................................................................................... 5
Material a utilizar e aspetos teóricos fundamentais sobre circuitos .......................... 6
Material ....................................................................................................................... 6
Aspetos teóricos fundamentais ................................................................................... 6
Caracterização de um painel fotovoltaico .................................................................... 8
Experiência inicial ....................................................................................................... 8
Metodologia ............................................................................................................. 8
Resultados .............................................................................................................. 9
Discussão de resultados .......................................................................................... 9
Segunda experiência ................................................................................................. 10
Metodologia ........................................................................................................... 10
Resultados ............................................................................................................ 11
Discussão de resultados ........................................................................................ 12
Análise qualitativa do efeito que o sombreamento do painel tem sobre a energia
fornecida à carga .......................................................................................................... 13
Experiência final ........................................................................................................ 13
Metodologia ........................................................................................................... 13
Resultados ............................................................................................................ 14
Discussão de resultados ........................................................................................ 15
Em contexto real .................................................................................................... 15
Conclusão ..................................................................................................................... 16
Bibliografia.................................................................................................................... 17
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Introdução
No âmbito do Projeto FEUP, foi-nos proposto realizar um trabalho prático constituído por
uma série de experiências relacionadas com circuitos elétricos e painéis fotovoltaicos.
Este trabalho prático permitiu a conquista de familiaridade no uso de equipamento básico
de medida (multímetro), assim como com software de folha de cálculo e visualização gráfica
de dados (Microsoft Excel). Ficámos também com a noção de como realizar montagens de
circuitos elétricos em placas de montagem.
Para além disso, adquirimos novos conhecimentos sobre painéis fotovoltaicos, tais como
poder estudar a resposta de um painel fotovoltaico ao determinar a sua caraterística I-V
experimentalmente e como relacionar o seu comportamento com os diferentes níveis de
iluminação e sombreamento.
Com este relatório, vamos abordar os diferentes passos na realização do trabalho prático,
explicando como procedemos em todos eles, os materiais utilizados e as leis e equações em
que nos baseamos.
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Material a utilizar e
aspetos teóricos fundamentais sobre circuitos
Material
Para realizar as diferentes experiências é necessário ter o material indicado e saber
utilizá-lo corretamente. Segue-se uma lista dos instrumentos utilizados e uma breve
explicação da função de cada um deles:
Placa de montagem (breadboard) – É uma placa com orifícios e conexões
condutoras para a montagem de circuitos elétricos experimentais.
Painel fotovoltaico – Dispositivo composto por várias células fotovoltaicas que
convertem energia da luz solar em energia elétrica.
Resistência – Dispositivo que limita a corrente elétrica num circuito.
Potenciómetro – Resistência de três terminais em que a conexão central é
manipulável, permitindo assim ajustar a resistência elétrica.
Multímetro – Instrumento de medida elétrica, capaz de realizar a medição elétrica
de três tipos diferentes: Voltímetro, Amperímetro e Ohmímetro.
Lâmpada incandescente – Dispositivo que transforma energia elétrica em energia
luminosa. Quando a corrente elétrica passa pelo filamento dentro da lâmpada, este
aquece e emite luz.
LED – Díodo emissor de luz, utilizado para emitir luz como sinal de aviso nesta
experiência.
Lâmpada LED – Lâmpada que utiliza díodo emissor de luz para emitir luz.
Aspetos teóricos fundamentais
Para além do material essencial, é também muito importante que se conheçam bem as
leis e equações a utilizar, assim como outros conceitos teóricos para a realização das
experiências:
Diferença de potencial ou tensão elétrica – A diferença de potencial é a diferença de
energia potencial elétrica entre dois pontos. Por outras palavras, é o trabalho realizado para
que se movimente uma carga elétrica entre dois pontos. A sua unidade de medida é o Volt
(V).
Corrente elétrica – A corrente elétrica é o deslocamento de cargas elétricas sob a forma
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de eletrões (no caso dos metais). A sua unidade de medida é o Ampere (A).
Fonte de tensão – A fonte de tensão é o dispositivo responsável por impor uma diferença
de potencial nos seus terminais, independentemente da corrente que os percorre. Isto
significa que irá fornecer a corrente necessária para manter os seus terminais numa tensão
de trabalho.
Lei de Ohm – A lei de Ohm, formulada pelo físico alemão Georg
Simmon Ohm, relaciona as três grandezas elétricas principais e
demonstra como elas estão intimamente ligadas.
Para um condutor mantido a temperatura constante, a
intensidade da corrente elétrica será proporcional à diferença de
potencial aplicada entre as suas extremidades, ou seja, a sua
resistência elétrica é constante.
Figura 1 - Fórmula da Lei de Ohm.
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Caracterização de um painel fotovoltaico
Experiência inicial
Metodologia:
Proceder á montagem do circuito pretendido (fig. 2) na placa de montagem (breadboard).
Para tal é necessário ligar os dois multímetros ao circuito de forma a obter os valores de
tensão e de corrente. Desta forma é imperativo a ligação de um multímetro em paralelo com
a resistência de forma a ser obtida a tensão e um segundo multímetro ligado em série com a
resistência de forma a ser obtida a intensidade de corrente. Após verificar a montagem do
circuito ligamos então os terminais do painel fotovoltaico a este, em que o terminal positivo e
o terminal negativo são conectados ás suas entradas respetivas.
Estando o circuito montado, é fornecida ao painel fotovoltaico energia luminosa através
de uma lâmpada incandescente, sendo para esta registados os valores de tensão e corrente.
De seguida troca-se a lâmpada incandescente por uma lâmpada LED e volta-se a registar os
valores de tensão e corrente. Todo este processo é executado para resistências de 22kΩ,
18kΩ, 12kΩ, 8k2Ω, 6k8Ω e 5k6Ω.
Figura 3 - Montagem do circuito.
Figura 2 - Esquema de montagem do circuito.
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Resultados:
Discussão de resultados:
Traçando então os gráficos da caraterística U/I dos painéis fotovoltaicos podemos
observar desde já que existe uma diferença entre os valores de corrente e de tensão
produzidos pela lâmpada incandescente e pela lâmpada LED. É possível denotar que o painel
fotovoltaico vai funcionar como um maior produtor de tensão e corrente elétrica quando
incidido sobre este a lâmpada incandescente.
Podemos também comprovar e verificar a presença da Lei de Ohm, apesar de alguns
desvios, resultantes de dissipações de energia.
Resistencia I(mA) V (V) I(mA) V(V)
22kΩ 0,34 7,41 0,28 6,21
18kΩ 0,41 7,40 0,33 5,98
12kΩ 0,63 7,39 0,5 5,94
8k2Ω 0,92 7,38 0,72 5,87
6k8Ω 1,10 7,37 0,87 5,82
5k6Ω 1,32 7,35 1,03 5,77
Incandescente LED
Figura 4 - Tabela de resultados da experiência inicial.
Figura 5 - Gráfico U/I resultante após incidência no painel de energia luminosa proveniente da lâmpada incandescente.
Figura 6 - Gráfico U/I resultante após incidência no painel de energia luminosa proveniente da lâmpada LED.
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Segunda experiência
Metodologia:
A segunda experiência teve como objeto determinar a curva de característica do painel
fotovoltaico. Para isso é necessário usar um reóstato em alternativa às, anteriormente
utilizadas, resistências fixas, tal como mostra o esquema da figura 7. Montar o painel
fotovoltaico à placa de montagem e ligar o amperímetro e o voltímetro, em série e em paralelo
respetivamente, com o objetivo de medirmos a corrente de curto-circuito para que, se fosse
necessário repetir a experiência, existisse a possibilidade de posicionar o candeeiro a uma
distância parecida de modo a obter a mesma situação eliminando deste modo erros.
De seguida, implementar a resistência variável de capacidade máxima de 4k7ohms no
circuito, tal como está exemplificado na figura 8. Registar os valores da intensidade da
corrente e da diferença de potencial do circuito à medida que alterávamos o valor da
resistência variável. Para uma curva de característica mais exata são registados os valores
da intensidade da corrente e da diferença de potencial em mais pontos ao longo da
experiência, isto é, alterar os valores da resistência em intervalos menores.
A primeira vez é realizada usando uma lâmpada de incandescência no candeeiro. Após
terem sido registados valores suficientes para uma boa curva de característica (figura 9) trocar
a lâmpada de incandescência por uma lâmpada LED e repetir o procedimento.
Para obter a curva de característica usar os valores da intensidade da corrente em função
dos valores da diferença de potencial.
Depois de registados todos os valores, fazer os gráficos da potência em função da tensão
da corrente para a lâmpada de incandescência e a lâmpada LED, figuras 11 e 12
respetivamente. Calcular o máximo das funções que melhor se adaptam as curvas do gráfico
e testar se é possível calcular uma resistência para a potência máxima.
Figura 7 - Esquema da montagem com o reóstato.
Figura 8 - Imagem do circuito montado na placa.
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Resultados:
Os últimos pontos da metodologia experimental permitiram a obtenção dos seguintes
resultados:
y = -0.0515x3 + 0.3245x2 - 0.6535x + 4.088
0
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 6Co
rren
te E
létr
ica-
I (m
A)
Tensão-V (V)
Lâmapada LED
y = -0.2853x3 + 3.0034x2 - 9.1091x + 34.178
0
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10
Co
rren
te E
létr
ica-
I (m
A)
Tensão-V (V)
Lâmpada incandescente
Figura 9 - Gráfico da curva de característica para a lâmpada de incandescência.
Figura 10 - Gráfico da curva de característica para a lâmpada LED.
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Com base nestes primeiros resultados foi possível traçar ainda mais dois gráficos,
ambos resultantes da utilização da potência em função da tensão.
Discussão de resultados:
Conclui-se que à medida que a resistência aumenta, na situação em que é usada a
lâmpada LED, os valores da intensidade da corrente diminuem e os valores da tensão da
corrente aumentam variando em intervalos superiores aos da intensidade. Quando usada a
lâmpada de incandescência ambas as grandezas atingem valores superiores aos resultados
da situação da lâmpada LED e a intensidade da corrente diminui variando em intervalos muito
superiores do que a tensão que aumenta.
y = -6.7012x2 + 65.52x - 37.778
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8 10
Po
tên
cia-
P (
mW
)
Tensão-V (V)
Lâmpada incandescente
y = -0.7449x2 + 6.066x - 0.8471
-5
0
5
10
15
0 1 2 3 4 5 6
Po
tên
cia-
P (
mW
)
Tensão-V (V)
Lâmpada LED
Figura 11 - Gráfico da potência em função da tensão para a lâmpada de incandescência.
Figura 12 - Gráfico da potência em função da tensão para a lâmpada LED.
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Análise qualitativa do efeito que o sombreamento do painel tem
sobre a energia fornecida à carga
Experiência final
Metodologia:
Primeiro, usando a placa de montagem ligar dois painéis fotovoltaicos iguais em paralelo,
como podemos observar na figura 13, interligando os terminais positivos entre si, assim como
os terminais negativos. Montar também na placa, juntamente com os painéis dois multímetros,
com o objetivo de em cada um deles observarmos e registamos os valores da corrente elétrica
e da tensão. A seguir colocar direcionado para os painéis um candeeiro com uma lâmpada
incandescente e após estar tudo montado registar os valores da corrente curto-circuito e a
tensão de circuito aberto.
Seguidamente faz-se a mesma montagem. Só que desta vez ligam-se os dois painéis
em série, como podemos ver na figura 14, conectando o terminal positivo de um painel ao
terminal negativo do outro. Colocar o mesmo candeeiro sobre eles efetuar os registos que se
efetuou na ligação em paralelo.
Após terminado, repetir o mesmo processo de montagem em paralelo e em série, mas
ligando um LED aos terminais do agregado, como mostram as figuras 15, 16 e 17, 18
respetivamente, e observar a intensidade do LED e registar os valores da tensão e da
intensidade.
Depois, para cada uma das montagens feitas com o LED, sombrear apenas um dos
painéis com um cartão e registar também os valores da diferença de potencial e da corrente.
Observar o que aconteceu à intensidade luminosa do LED em cada um dos casos e registar
o observado.
Figura 13 - Esquema de montagem de painéis em paralelo. Figura 14 - Esquema de montagem
de painéis em série.
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Resultados:
Painéis em paralelo:
Curto-circuito:
I=19.35mA
V=0.133V
Circuito aberto:
I=0mA
V=7,31V
LED ligado aos painéis em paralelo:
Sem sombreamento:
I=18.80mA
V=2.097V
Com sombreamento:
I=9.82mA
V=1.998V
Figura 15 - Esquema de montagem dos PVP em paralelo com LED.
Figura 17 - Esquema de montagem dos PVP em série com LED.
Painéis em série:
Curto circuito:
I=10.06mA
V=0.066V
Circuito aberto:
I=0mA
V=3.55V
LED ligado aos painéis em série:
Sem sombreamento:
I=9.79mA
V=3.81V
Com sombreamento:
I=0.64mA
V=1.776V
Figura 16 - Montagem dos PVP em paralelo com o LED.
Figura 18 - Montagem dos PVP em série com o LED.
Aproveitamento de Energia Solar – Caracterização de um painel fotovoltaico 15/17
Discussão de resultados:
Sendo os dois painéis fotovoltaicos idênticos, quando estes são montados em paralelo, a
corrente de curto-circuito vai para cerca do dobro daquela que um painel único apresenta,
dado que a corrente de um painel é somada a do outro. Quando montados em série a corrente
de curto-circuito é sensivelmente a mesma, ou seja, não é afetada, uma vez que as correntes
destes painéis não se sobrepõem uma à outra.
Quando se fala em tensão de circuito aberto e os painéis fotovoltaicos idênticos são
ligados em paralelo a tensão de circuito aberto mantém-se mais ou menos a mesma que um
único painel apresentaria, ou seja, permanece inalterada, pois as tensões de cada um dos
painéis não se sobrepõem. Já quando as células são ligadas em série a tensão de circuito
aberto aumenta aproximadamente para o dobro porque as tensões destas são adicionadas.
Na montagem dos painéis em paralelo e com o LED ligado aos terminais do agregado, e
após o sombreamento de uma das células, verificou-se que a tensão com e sem
sombreamento é idêntica. Já com a corrente de curto-circuito, o que acontece é que esta
baixa praticamente para metade. Relativamente ao brilho do LED verificasse que este diminui
um pouco quando um dos painéis está sombreado, mas sem grande significado. Já quando
os painéis estão montados em série a diferença de potencial diminui sensivelmente para
metade, a intensidade baixa praticamente para zero e o LED apaga.
Por fim falta mencionar que a intensidade é menor quando a ligação é feita em série, pois
as correntes não se somam e a intensidade em prol da tensão é linear, ou seja I é diretamente
proporcional a V.
Em contexto real:
As sombras que podem surgir nos módulos fotovoltaicos produzem consequências
negativas no que respeita a sua segurança e a sua eficiência.
No entanto na maioria destas situações as sombras são de natureza temporária, uma vez
que resultam de fenómenos naturais muitas vezes imprevisíveis. Este sombreamento
temporário resulta por exemplo de sujidade de proveniência diversa como dejetos de
pássaros, poeiras de zonas industriais e presença de folhas secas. Mesmo as nuvens ou a
neve que se possa depositar sobre os módulos fotovoltaicos causam sombreamento, mas a
ocorrência de nuvens é aquela que assume um carácter verdadeiramente transitório.
Logo, os painéis devem ter manutenção periódica e devem ser limpos de forma a que os
mesmos não percam a sua eficiência.
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Conclusão
A elaboração do presente relatório, bem como toda a parte empírica que neste resultou,
presenteou todos os membros do grupo com um conhecimento mais aprofundado sobre as
características de um painel fotovoltaico e o comportamento deste quando submetido a
condições variáveis e/ou distintas.
Os painéis fotovoltaicos quando usados, são-no tendo em mente a maior produção de
energia elétrica possível, ou por outras palavras, um rendimento mais alto possível. Assim, é
essencial o estudo destes e principalmente do seu comportamento quanto às características
relacionadas com a produção de energia, ou seja, relações entre tensão, intensidade de
corrente e potência, permitindo, posteriormente, uma otimização do aparelho.
Foi concluído, então, que o painel fotovoltaico é um aparelho bastante sensível a
mudanças no ambiente que o rodeia e para além disso, e também por causa disso, está longe
de ser considerado ótimo em termos de rendimento, contudo, existe a possibilidade de manter
os níveis deste elevados, que revolvem à volta de uma manutenção cuidada e assídua do
painel, favorecer a instalação destes em paralelo e a sua colocação em zonas onde a
intensidade luminosa é maior.
Aproveitamento de Energia Solar – Caracterização de um painel fotovoltaico 17/17
Bibliografia
[1] (26/10/2016) Questões Cosmológicas – lei-Ohm,
https://questcosmic.files.wordpress.com/2013/03/lei-ohm.jpg
[2] (27/10/2016) SILVEIRA VALENTE, Miguel Ângelo – Caracterização Automática de
um Painel Fotovoltaico, https://run.unl.pt/bitstream/10362/6110/1/Valente_2011.pdf
[3] (27/10/2016) da SILVA FALCÃO, Aline Damm – Medição das características de um
Painel Solar Fotovoltaico, http://www.lee.eng.uerj.br/~jpaulo/PG/2015/Relatorio-IC-2014-
2015-Painel-Solar.pdf
[4] (27/10/2016) Mppt Solar – Ligação em série de mais painéis solares,
http://www.mpptsolar.com/pt/paineis-solares-em-serie.html
[5] (27/10/2016) TAVARES PINHO, João, GALDINO, Marco António – Manual de
Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, http://www.portal-energia.com/downloads/livro-
manual-de-engenharia-sistemas-fotovoltaicos-2014.pdf
[6] (27/10/2016) CARNEIRO, Joaquim – Módulos Fotovoltaicos
https://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/16961/1/M%C3%B3dulos%20Fotovoltai
cos_Caracteristicas%20e%20Associa%C3%A7%C3%B5es.pdf