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Estudo e caracterização de um Painel Fotovoltaico 1/12
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Estudo e caracterização de um Painel Fotovoltaico
Projeto FEUP
1º Ano – Mestrado integrado de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores :
Manuel Firmino da Silva Torres Sara Maria Pinho Ferreira
Turma 8 - Equipa 4:
Supervisor: Monitor:
Vitor Manuel Grade Tavares Alexandre Trumpell
Estudantes & Autores:
Gabriel Outeiro [email protected] Marta Lobo [email protected]
Fernando Ye Lin [email protected] Pedro Santos [email protected]
António Mendes [email protected]
Estudo e caracterização de um Painel Fotovoltaico 2/12
Resumo
Com este trabalho era importante ver o comportamento de um painel fotovoltaico em
situações distintas. Assim testámos a eficiência do mesmo com a incidência de luz de
diferentes lâmpadas e determinamos a característica I/U (intensidade e tensão) para cada um
dos casos.
Durante a experiencia montámos um circuito onde ligamos a nosso painel fotovoltaico a
um multímetro e a uma resistência. Fizemos incidir, no painel, luz de lâmpada incandescente
e luz de led. Assim, registamos os valores lidos nos multímetros, para a intensidade de
corrente e para a tensão. Deste modo, com os dados disponibilizados traçamos gráficos de
característica I(U) e P(U) do painel para cada tipo de lâmpada.
Com a analise dos gráficos que obtivemos, pudemos concluir que o desempenho dos
painéis fotovoltaicos é dependente do tipo de lâmpada que esta a fornecer a iluminação dos
mesmos. Ou seja, foi possível perceber que o painel é mais eficaz quando nele incide radiação
com comprimento de onda semelhante a uma lâmpada incandescente. Tambem foi concluído
que existe um valor de resistência ótimo, para que o aproveitamento do painel, ou seja, a
Potência elétrica extraída, seja o máximo.
]
Palavras-Chave
Painel fotovoltaico, lâmpada Incandescente, lâmpada LED, Característica, Lei de Ohm.
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Índice
1. Introdução
2. Experiência Prática
2.1 Princípios Teóricos
2.2 Caracterização de um Painel Fotovoltaico
2.2.1. Valores obtidos
2.2.2 . Representações gráficas
2.2.3. Eficiência do Painel
2.3. Dois Painéis
2.3.1. Ligados em Paralelo
2.3.2. Ligados em Série
2.3.3. Conclusões
3. Conclusões
4.Referências bibliográficas
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1 - Introdução:
No âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, nós, grupo 4 da turma 8 do curso
Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores, desenvolvemos um
projeto sobre a utilidade e funcionalidade de painéis fotovoltaicos.
Tendo em vista a principal meta deste projeto – analisar o comportamento de uma fonte
de energia fotovoltaica em diversas situações - partimos de conceitos-base tais como o de
diferença de potencial, corrente elétrica, lei de Ohm e fonte de tensão.
Este trabalho tem não só como intuito desenvolver as nossas aptidões em relação à
composição e estruturação de um relatório, como a capacidade de sintetizar informação em
formato de poster, bem como a demonstração de competências para apresentar o tema
proposto, expondo os conceitos e conhecimentos que adquirimos.
2 - Experiência Prática:
2.1 – Princípios Teóricos:
Neste trabalho prático nós usamos vários instrumentos e métodos de obtenção de dados,
para os quais necessitamos de uma fundamentação teórica prévia. Essa teoria pode ser
dividida em 2 principais partes: a relativa ao painel fotovoltaico (foco principal desta
experiência), e a relativa aos aspetos fundamentais dos circuitos.
Os princípios teóricos relativos ao painel fotovoltaico necessários para este trabalho
incidem em dois tópicos: o efeito fotovoltaico e a constituição do painel em si. Um painel
fotovoltaico é constituído por vários elementos mais pequenos, designados por células,
ligados entre si constituídos por um material que apresenta efeito fotovoltaico. O efeito
fotovoltaico consiste num efeito observado em alguns materiais, nos quais, após exposição à
luz os seus eletrões (ao receber energia da radiação luminosa) passam para um estado mais
excitado, criando assim uma tensão ou corrente elétrica no material. Este efeito está muito
relacionado com o efeito fotoelétrico, contudo a diferença entre eles é que no efeito
fotoelétrico os eletrões soltam-se do material, e no fotovoltaico os eletrões permanecem no
material, embora excitados.
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Os aspetos bases e fundamentais acerca de circuitos, para realização da nossa
experiência, consistem no conceito da Lei de Ohm ( e as variáveis envolvidas). A Lei de Ohm,
é uma lei que dita que a tensão medida em dois pontos de um circuito, e a corrente que passa
por ele estão relacionadas, sendo que a razão entre estas é a resistência. A equação da Lei
de Ohm assume a seguinte forma:
V=R*I I=V/R Lei de Ohm
, onde V representa a tensão, que corresponde a diferença de energia potencial elétrica entre
dois pontos do circuito, por unidade de tempo, e é medida em Volt (V); o I representa a
corrente elétrica i.e. a quantidade de carga que atravessa uma determinada secção de um
fio, por unidade de tempo, e é medida em Amperes (A). O R na equação é dado pela
resistência elétrica, e é medida em Ohm (Ω).
2.2 - Característica de um painel fotovoltaico.
Neste trabalho prático nós determinamos experimentalmente a característica de um
painel fotovoltaico, isto é, o gráfico de I em função de V. Para isto, montamos um pequeno
circuito, usando o painel fotovoltaico como fonte de tensão, um voltímetro e um amperímetro
para medir os valores de tensão e de corrente, respetivamente, e um potenciómetro ou
reóstato, de modo a podermos variar o valor de resistência elétrica dessa secção do circuito.
Este circuito está representado na Figura 1.
Depois de montado o circuito tivemos de efetuar medições para os valores de I e de
V, usando o amperímetro e o voltímetro, dependendo sempre do valor da resistência do
potenciómetro; contudo estas medições são efetuadas quando sobre o painel incidem um de
dois tipos de radiação luminosa, uma proveniente de uma lâmpada incandescente, e a outra
de uma lâmpada LED.
Os primeiros valores a serem medidos são o de curto circuito e o de circuito aberto,
sento que o primeiro , no lugar da resistência encontra-se um fio, e o segundo , no lugar da
resistência não se coloca nada, ou seja apenas se encontra o ar do meio involvente ao
circuito. Estes valores permitem-nos achar o ponto em que a tensão é máxima e a corrente é
nula ( circuito aberto), e quando a corrente é máxima e a tensão é nula ( curto circuito). Depois
de estes valores estarem medidos , introduzimos o potenciómetro e fazemos variar a
resistência do mínimo para o máximo ( 4,7 kΩ no caso do potenciómetro usado neste
trabalho), anotando sempre os valores de corrente e tensão.
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2.2.1 – Valores obtidos:
Os valores de tensão e da corrente do circuito alimentado pela lâmpada incandescente
encontram-se na Tabela 1. Os valores para o circuito alimentado pela lâmpada LED
encontram-se na Tabela 2.
U(V) 3.82 4.553 5.16 5.45 5.58 5.787 5.811 5.955 6.1
I(mA) 12.84 12.57 10.87 8.77 7.45 4.53 4.12 1.44 0
Tabela 1: Valores de Tensão e de corrente para quando o painel é alimentado por uma
lâmpada incandescente.
U(V) 0 0.14 0.19 0.37 1.03 1.47 1.95 2.1 2.47 2.83 3.04
I(mA) 6.3 6.2 6.0 5.8 5.65 5.64 5.63 5.6 5.5 5.43 5.3
U(V) 3.68 4.06 4.76 4.9 5.06 5.13 5.24 5.3 5.4 5.55 5.56 5.84
I(mA) 5.24 5.2 5.0 4.75 4.3 4.05 3.56 3.23 2.6 2.3 1.2 0
Tabela 2: Valores de tensão e de Corrente para quando o painel é alimentado por uma
lâmpada LED.
U(V) 0 0.35 0.369 0.444 0.5 1.73 1.85 1.874 2.685 3.72
I(mA) 13.74 13.61 13.57 13.18 13.15 12.94 12.9 12.89 12.95 12.87
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2.2.2 – Representações gráficas:
Passando os valores das tabelas para um gráfico de I em função de U, obtemos então
os pontos que compõem a característica do painel, e, ao posteriormente traçar a regressão
dos pontos obtemos a característica completa do painel fotovoltaico.
Gráfico 1: Característica do painel fotovoltaico, quando alimentado por uma lâmpada incandescente e
uma lâmpada LED.
Após analisar o gráfico podemos concluir à partida que um painel fotovoltaico não é uma fonte
de tensão ideal, pois sua representação gráfica não é uma linha vertical, ou seja, não mantem
o mesmo valor de tensão para qualquer valor de corrente presente no circuito. Podemos
concluir também que o painel fotovoltaico comporta-se de modo diferente a diferentes tipos
de radiação luminosa, esse facto pode estar conectado à diferença no comprimento desses
tipos de radiação, sendo que, neste caso, o comprimento de onda na lâmpada LED é diferente
do da lâmpada incandescente.
y = -0.0204x5 + 0.2158x4 - 0.8146x3 + 1.4262x2 - 1.4475x + 13.779
y = -0.0167x5 + 0.1981x4 - 0.8646x3 + 1.7061x2 - 1.6364x + 6.2966
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 1 2 3 4 5 6 7
I(m
A)
U(V)
Lâmpada Incandescente
Lâmpada LED
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2.2.3 – Eficiência do painel:
Uma outra conclusão que podemos tirar é que, devido à aparência da característica do
painel, existe um ponto da característica em que a área do retângulo cujo comprimento dos
lados são os valores de U e de I do ponto em questão, é máxima, e, o valor da área é dado
por U*I, ou seja, a Potência elétrica do circuito.
Esse ponto pode ser encontrado representando graficamente os valores de P(mW)
em função dos valores de U(V).
P(mW) 0 4.763 5.007 5.852 6.5575 22.386 23.865 24.156 34.771 47.876
U(V) 0 0.35 0.369 0.444 0.5 1.73 1.85 1.874 2.685 3.72
P(mW) 49.049 57.231 56.089 47.797 41.571 26.215 23.941 8.561 0
U(V) 3.82 4.553 5.16 5.45 5.58 5.787 5.811 5.945 6.1
Tabela 3: Valores de Potência elétrica e de tensão para quando o painel é alimentado por uma
Lâmpada incandescente.
P(mW) 0 0.868 1.14 2.146 5.819 8.306 10.979 11.76 13.53 15.340 16.112
U(V) 0 0.14 0.19 0.37 1.03 1.47 1.95 2.1 2.46 3 3.04
P(mW) 19.283 21.112 23.8 23.275 20.756 18.640 18.640 17.119 14.04 12.765 6.672 0
U(V) 3.68 4.06 4.76 4.9 5.06 5.125 5.236 5.3 5.4 5.55 5.56 5.84
Tabela 4: Valores de Potência elétrica e de tensão para quando o painel é alimentado por uma
Lâmpada LED.
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Depois de Passarmos os pontos das tabelas para um gráfico, obtemos uma curva cujo
máximo é o ponto da característica onde a área é maior, ou seja onde o painel é mais eficaz
pois gera mais potência elétrica.
Gráfico 2: Representação gráfica dos valores de Potência em função dos valores de tensão
para quando o painel é alimentado por uma lâmpada Incandescente e um LED.
Depois de analisadas as regressões das representações gráficas da característica do
painel fotovoltaico, obtemos o valor máximo de P para os dois tipos de lâmpadas. No caso da
Lâmpada incandescente o valor máximo de P é 58.94 mW para quando U é 4.74 V, para a
Lâmpada LED o valor máximo de P é 24.27 mW para quando U é 4.44 V. Depois de obtidos
os valores de U , vamos as equações da característica do painel e substituímos os valores de
x pelos valores de U, de modo a obter o valor de I para quando P é máximo. Para a lâmpada
incandescente, o valor de I é 12.33 mA para U = 4.74 V; no caso da lâmpada LED , o valor
de I é 5.16 mA para U = 4.44 V.
Através da Lei de Ohm ( U=R*I), com os valores de U e de I podemos obter o valor
da resistência do circuito quando a Potência elétrica é máxima. Se substituirmos na equação,
U=R*I, os valores de U de I que obtivemos para quando P é máximo, para a lâmpada
incandescente, obtemos:
U=R*I R=U/I R = (4.74)/(12.33*10^-3) R = 384 Ω
Fazemos agora o mesmo para os valores da lâmpada LED:
U=R*I R=U/I R = (4.44)/(5.16*10^-3) R = 860 Ω
y = -0.3554x4 + 3.3428x3 - 9.9388x2 + 15.061x - 1.1459
y = -0.1454x5 + 1.532x4 - 5.3391x3 + 6.7107x2 + 10.793x + 0.1611
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
0 1 2 3 4 5 6 7
P(m
W)
U(V)
Lâmpada LEDLâmpada Incandescente
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Estes valores são os valores da resistência do circuito para quais o painel gera mais
potência, ou seja os valores ideais para a sua utilização mais eficiente.
2.3 - Dois Painéis:
A experiencia anterior voltou a ser feita, contudo, agora usando dois painéis
fotovoltaicos, pretendendo-se saber os efeitos na característica dos painéis fotovoltaicos
quando estes são ligados em paralelo ou em série.
2.3.1 – Ligados em Paralelo:
Quando os painéis são ligados em paralelo, os valores de tensão também se mantêm
os mesmos, contudo os valores de corrente aumentam para o dobro, ou seja, a forma da
característica muda, assumindo agora uma forma semelhante contudo com o dobro da altura,
com os valores de corrente todos a valer o dobro dos da característica de um só painel.
Quando se tapa um dos painéis, observamos que os valores de tensão se mantêm
constantes, mas o valor de corrente desce para metade, fazendo com que a característica
dos painéis neste circuito se torne igual à característica de um só painel.
2.3.2 – Ligados em Série:
Quando os painéis são ligados em série, os valores de corrente mantêm-se
constantes, todavia os valores de tensão aumentam para o dobro, e a forma da característica
também muda, tomando agora uma forma comprida, pois os valores de U aumentam todos
para o dobro, em relação aos valores da característica original.
Quando é tapado um dos painéis, os valores de tensão mantêm-se os mesmo, apesar
de os valores de corrente diminuírem quase para zero
2.3.3 – Conclusões:
Concluímos então que montar painéis fotovoltaicos em paralelo é o ideal caso o nosso
objetivo seja aumentar os valores de corrente do circuito, contudo se o nosso objetivo é
aumentar o valor de tensão do circuito , para que , por exemplo, iguale ao valor da rede para
que o circuito possa ser nela introduzido, é melhor ligar os painéis em série, apesar de se
correr maiores riscos, pois caso um dos painéis deixe de funcionar, ou fique sombreado, o
circuito inteiro o uso, pois os valores da intensidade da corrente desce para valores quase
nulos. Devido a estes riscos, a maneira mais comum e eficiente de ligar painéis fotovoltaicos
entre si, é em conjuntos ligados em paralelo, e cada conjunto é composto por vários painéis
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ligados em série entre si.
3. Conclusões:
Através deste estudo, os conhecimentos acerca das grandezas como a intensidade, em
ohms (Ω), a diferença de potencial, em volts (v) e a relação entre estas ,ficaram mais
consolidadas, assim como a familiarização com os equipamentos de medida neste caso, o
multímetro.
Durante os testes, verificou-se nalguns gráficos, pequenos desvios de pontos. No entanto,
isso é justificado por pequenos erros fortuitos durante a medição dos valores como pequenos
deslocamentos dos painéis ou da fonte luminosa. Contudo, o sucesso do trabalho
experimental não foi condicionado por tal.
Deste trabalho , pode-se afirmar que o valor para o qual a potência é máxima,
corresponde ao valor da área do maior retângulo abaixo do gráfico V/I , nos gráficos
anteriormente apresentados.
É de salientar, que os valores de intensidade e volts dependem de fatores como a posição,
a proximidade, a intensidade e o tipo de fonte luminosa. Tal foi verificado nos testes com dois
tipos de lâmpadas (tipo de fonte luminosa), uma de LEDs e outra incandescente da qual se
obteve melhor resposta com a lâmpada incandescente por parte do painel. Além disso, a
forma como se associam 2 ou mais painéis também influenciam esses valores, pois uma
associação em série permite aumentar a tensão do circuito, ou seja, se for “tapado” um dos
painéis a intensidade da corrente decresce drasticamente para valores desprezáveis ,e a
associação em paralelo, por sua vez, aumenta a intensidade da corrente num circuito. No
entanto, é necessária uma conjugação destas associações para um melhor aproveitamento
energético.
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4 - Referências bibliográficas:
http://www.portal-energia.com/downloads/livro-manual-de-engenharia-sistemas-
fotovoltaicos-2014.pdf
https://dicasdozebio.com/2013/04/11/leds-como-ligar-sem-queimar/
