Solarize Workshop Engenharia de Materiais - Módulos fotovoltaicos: novos materiais aumentam retorno

MÓDULOS FOTOVOLTAICOS: COMO NOVOS MATERIAIS AUMENTAM O RETORNO ENERGÉTICO E FINANCEIRO III Workshop Internacional de Engenharia de Materiais, UFRN, Novembro de 2016

Hans Rauschmayer © Solarize Serviços em Tecnologia Ambiental Ltda – www.solarize.com.br

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A Solarize

• Energia Solar e Sustentabilidade – Energia Fotovoltaica – Aquecimento Solar – Integração com arquitetura

• Capacitação – Desde 2008 – Ampla gama de cursos para profissionais e leigos – Foco na aplicação real – Congressos e seminários

• Consultoria e Projetos

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A energia solar no Brasil e no mundo • Energia solar cresce forte no mundo e no Brasil • Natal é a capital brasileira com maior irradiação • O Nordeste ainda tem muito potencial a explorar EPIA, 2015

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Módulos Fotovoltaicos: Como novos materiais aumentam o retorno energético e financeiro Contexto: • Módulos fotovoltaicos são commodities • As características de módulos são altamente padronizadas – Tamanho, potência, tensão, corrente

• Garantia mínima é de 25 anos • Funcionamento em condições adversas, sob conceito de zero manutenção (qualquer troca de módulos por defeito causa um prejuízo considerável) • O mercado é muito concorrido • Detalhes nos materiais fazem a diferença para aumentar o retorno de energia a retorno financeiro em uma usina fotovoltaica • Detalhes nos materiais permitem ao fabricante ganhar mercado e aumentar seu lucro © Solarize Serviços em Tecnologia Ambiental Ltda – www.solarize.com.br

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Como funciona o sistema fotovoltaico

Os módulos transformam irradiação em eletricidade

Quadro

O inversor converte a corrente contínua dos módulos em corrente alternada sincronizada com a rede

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Instalação Residencial Módulos fotovoltaicos

Inversor

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Como funciona a célula fotovoltaica?

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A célula consiste de do semicondutor silício Uma camada é dotada da forma que tenha elétrons excedentes, a outra é dotada com falta de elétrons Um foton da luz solar consegue libertar um dos elétron excedentes e este se movimenta ao condutor colado na célula Os condutores superiores e inferiores levam a carga para os consumidores e fecham o circuito elétrico

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fonte: DGS © Solarize Serviços em Tecnologia Ambiental Ltda – www.solarize.com.br

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Comparação de Tecnologias Participação no mercado mundial*

Eficiência do módulo

Características

Aplicação

Silício cristalino Policristalino

55%

até 18,5%

Boa eficiência; baixo custo

Instalação padrão

Monocristalino

36%

até 22,9%

Alta eficiência; menor perda com temperatura

Espaço reduzido

Filme fino

Cd-Te

5%

até 16,1%

CI(G)S

2%

até 15,7%

Silício amorfo ou microcristalino

2%

até 10,9%

Baixa perda com temperatura; melhor eficiência com baixa radiação; leve; rígido ou flexível

Aplicações específicas, expectativa para climas quentes

Outros Polimérico e pigmento

<1%

até 9%

Em desenvolvimento * Fraunhofer ISE 2014: Dados de 2013

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Fabricação de células cristalinas Monocristalino

Policristalino

Heckertsolar.com

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Moldura e proteção

Moldura de alumínio anodizado Vedação lateral

Vidro de baixo teor de ferro Filme EVA Células

Filme Tedlar renewable-energy-concepts.com

Funções da moldura: • Proteção contra tempo • Isolamento elétrico • Fixação © Solarize Serviços em Tecnologia Ambiental Ltda – www.solarize.com.br

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Perdas típicas (células cristalinas)

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Perda na célula (ordem de grandeza) 100% -2,5% -20% -30% -15% -10% -6% -0,5% 16%

•

Radiação solar na célula Reflexão e sombreamento por contatos Energia insuficiente de fótons (ondas longas) Energia excessiva (ondas curtas) Recombinação (aumenta com temperatura!)

Gradiente do potencial elétrico Curva característica Perda resistiva (calor na condução) Energia útil

aprox. 80% vira calor

Degradação – – – –

Infiltração de umidade e oxigênio (entre 0,25% e 1% ao ano) Light Induced Degradation LID Potential Induced Degradation PID Microfissuras em transporte, manuseio e vibração © Solarize Serviços em Tecnologia Ambiental Ltda – www.solarize.com.br

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Combinação de Fotocélulas

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Cada fotocélula gera uma tensão de aprox. 0,5 .. 0,6V O módulo fotovoltaico consiste de fotocélulas ligadas em série, para obter uma tensão maior Vários módulos juntos formam um arranjo fotovoltaico

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A irradiação ao longo do dia

Percurso

Espectro solar

Radiação difusa Ângulo Sombra

• A irradiação muda constantemente em qualidade e quantidade © Solarize Serviços em Tecnologia Ambiental Ltda – www.solarize.com.br

As condições climáticas mudam constantemente

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Temperatura • As células atingem mais que 75° em clima tropical • Coeficiente de perda: 0,43% / °C • Perda de potência chega a 22%

• A temperatura muda constantemente • O inversor precisa rastrear o ponto de potência máxima © Solarize Serviços em Tecnologia Ambiental Ltda – www.solarize.com.br

A eficiência de um módulo é o retorno ao longo da vida útil

• A eficiência de uma célula fotovoltaica e de um módulo é medida no laboratório sob Condições de Teste Padrão (STC =standard test conditions) • No entanto, o que interessa ao proprietário de uma usina, é o custo da energia gerada ao longo da vida útil, expresso em R$ / kWh (LCOE = levelized cost of energy) • Esta valor só pode ser calculado via simulação usando – Uma série de ensaios em diferentes condições – Usando dados meteorológicos do local – Em software específico

• Onde a engenharia de materiais pode ajudar para melhorar o relacionamento custo / benefício?

• Vamos ver algumas propostas da indústria ...

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Combinação de Materiais Célula tipo PERC (Passivated Emitter Rear Cell) Monofacial Estrutura antireflexo

Célula tipo HJT (Heterojunction) Bifacial

Busbar (condutor elétrico, pasta de prata)

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P-Type Wafer

+

Camada reflexiva de alumínio • Reflete fótons e aumenta a eficiência • Reflete calor chegando por trás

Camadas adicionais de silício amorfo (a-Si)

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Células bifaciais

Vantagens de células tipo HJT bifaciais: • Silício amorfo é sensível em espectro diferente do silício cristalino: radiação infravermelha, baixa irradiação • Radiação recebida por trás é aproveitada – vantajoso para usinas

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Fonte:

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Modificação dos condutores

Busbar

Condutores finos “finger”

Muitos condutores finos • Menos sombreamento • Aproveitamento da luz refletida

Vidro

Fonte:

Célula fotovoltaica © Solarize Serviços em Tecnologia Ambiental Ltda – www.solarize.com.br

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Conexão e combinação de células

• Conexão em matriz reduz perdas por microfissuras • Substituição de prata por cobre estaneado • Produção simplificada

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Conexão do fio com os condutores impressos

Célula Filme encapsulante

Fio condutor

Filme do fio Conexão mecânica e elétrica entre o fio e a célula

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Montagem de módulos

1. Preparar filmes com fios por cima / por baixo preparando a conexão

2. Fixar celulas no filme e, assim, conectá-las em série

5. Combinar vidro – encapsulante – células – encapsulante – vidro; laminar o conjunto sob vácuo

3. Lavar e preparar o vidro

6. Fixar caixas de conexão

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4. Posicionar filmes com células no vidro

7. Medir potência e outros parâmetros do módulo Fonte:

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Custo da energia gerada (LCOE)

Custo da Energia Gerada

As novas tecnologias conseguem reduzir significativamente o custo da energia gerada Fonte: © Solarize Serviços em Tecnologia Ambiental Ltda – www.solarize.com.br

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Tecnologia de corte do Wafer

Corte com abrasivos soltos

Corte com fios diamantados

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Vantagens do corte com fio diamantado

Fonte: © Solarize Serviços em Tecnologia Ambiental Ltda – www.solarize.com.br

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A espessura da moldura do módulo

• Reduzir a espessura de módulos significa – – – –

Menos material no módulo = custo Menos peso na estrutura Menos material de fixação e suporte Mais módulos por container = menor custo de logística

• A resistência do módulo não pode ser prejudicada

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Resumo

• Na tecnologia fotovoltaica, a Engenharia de Materiais é de suma importância para – – – – – – –

Aumentar o retorno energético de células Aumentar a vida útil do equipamento Reduzir o custo e a complexidade da fabricação Reduzir o custo de transporte e instalação Reduzir a manutenção do equipamento em uso Reduzir o impacto ambiental Permitir a reciclagem do material

• É indispensável trabalhar de forma multidisciplinar, visando todo o ciclo de vida do produto

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