Desenvolvimento de células e módulos de referência para medição da radiação solar

Abstract

A radiação solar é uma inesgotável fonte energética e pode ser aproveitada em sistemas de conversão de energia térmica e elétrica. Existem muitas maneiras de obter dados de irradiância e uma delas é a medição com células e módulos de referência. As vantagens desses dispositivos são o reduzido custo de construção e operação e a resposta espectral idêntica à do módulo fotovoltaico quando as células são da mesma tecnologia. A calibração de células e módulos de referência para medição de radiação solar pode ser realizada em ambiente indoor ou em ambiente outdoor. Os procedimentos e métodos de calibração podem ser realizados mediante medições em simulador solar ou sob iluminação natural. Esta dissertação apresenta as etapas de construção, os ensaios elétricos e termográficos e a validação dos protótipos de células e módulos de referência para medição da irradiancia solar desenvolvidos no Laboratorio de Pesquisa Aplicada (LPA) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Os protótipos são desenvolvidos a partir do processo de laminação para o encapsulamento das células fotovoltaicas. Em ensaios indoor com simulador solar foram obtidas as curvas I-V, correlações de fator de forma e de corrente de curto-circuito para as células e módulos de referência. Os protótipos apresentaram fator de forma próximos de 70 %. A calibração outdoor foi realizada para as células de referência utilizando uma célula padrão (calibrada) e um piranômetro termoelétrico (calibrado). Foram realizados os registros de distribuição de temperatura pela técnica de termografia nas quatro células (m-Si) dos módulos de referência. Para as células de referência foram realizados os registros apenas em circuito aberto. A validação dos dispositivos se dá através de medições da irradiância e de comparações das medidas através de um piranômetro fotovoltaico de referência, localizado na estação meteorológica da Planta Piloto Bioclimática na Universidade Federal de Santa Catarina. As medidas foram efetuadas em dia ensolarado, com horário próximo ao meio dia . Uma análise de repetibilidade no processo construtivo dos protótipos e na medição do simulador solar foi realizada. Para cada protótipo foram realizadas seis medidas da curva I-V para determinar a repetibilidade, obtendo a média (x ¯), o desvio padrão (S) e o erro padrão (EP) com níveis de confiança de 90 %, 95 % e 98 %. A validação das medições das células de referência foram realizadas para os três métodos de calibração, indoor (simulador solar) e outdoor (piranômetro termoelétrico e célula padrão). Para os módulos de referência a validação foi realizada apenas pelo método indoor.

Abstract: Solar radiation is an inexhaustible energy source and can be harnessed in both thermal and electrical energy conversion systems. There are many ways to obtain irradiance data and one of them is the measurement with cells and reference modules. The advantages of these devices are the low cost of construction and operation and the same spectral response as the photovoltaic module. The calibration of cells and reference modules for measuring solar radiation can be performed indoor or outdoor. Calibration procedures and methods can be performed by means of solar simulator measurements or under natural light. This dissertation presents the construction steps, the electrical and thermographic tests and the validation of the cell prototypes and reference modules for measuring solar irradiance developed at the Applied Research Laboratory (LPA) of the Federal University of Santa Catarina (UFSC). The prototypes are developed from the lamination process for the encapsulation of the photovoltaic cells. In indoor tests with solar simulator the I-V curves, fill factor and short circuit current correlations were obtained for the reference cells and modules. The prototypes showed a fill factor close to 70%. The outdoor calibration was performed for the reference cells using a standard cell (calibrated) and a thermoelectric pyranometer (calibrated). The temperature distribution records were performed using the thermography technique in the four cells (m-Si) of the reference modules. For the reference cells, the records were only open-circuited. The validation of the devices is done through irradiance measurements and comparisons of the measurements through a reference photovoltaic pyranometer located at the meteorological station of the Bioclimatic Pilot Plant at the Federal University of Santa Catarina. Measurements were made on a sunny day, with time close to noon. A repeatability analysis in the prototype construction process and the solar simulator measurement was performed. For each prototype, six measurements of the I-V curve were performed to determine the repeatability, obtaining the mean (x ¯), the standard deviation (S) and the standard error (SP) with confidence levels of 90%, 95%, and 98%. The validation of reference cell measurements was performed for the three calibration methods, indoor (solar simulator) and outdoor (thermoelectric pyranometer and standard cell). For the reference modules the validation was performed only by the indoor method.