Radiação e potência elétrica de um painel fotovoltaico

Objetivo

Investigar a influência da irradiância e da diferença de potencial elétrico no rendimento de um painel fotovoltaico.

Explicação teórica

Nesta atividade, começa-se por montar um circuito, com um painel solar sobre o qual incida uma lâmpada, ligado em paralelo com um voltímetro e em série com um amperímetro e um reóstato.

Depois, faz-se variar um de dois fatores no sistema (inclinação da fonte luminosa ou resistência do reóstato), e observa-se como é que essa variação afeta a potência disponibilizada pelo painel.

A irradiância é uma medida da quantidade de energia que atinge uma superfície, por unidade de área:

$E_r=\dfrac{P}{A}$

A irradiância é maximizada quando a superfície recetora está orientada perpendicularmente ao feixe incidente. Aumentando o ângulo de incidência, a irradiância diminui.

A potência fornecida por uma célula fotovoltaica a um circuito de resistência, $R$ , pode ser calculada através do produto da diferença de potencial, $U$ , nos seus terminais, pela intensidade de corrente, $I$ , que ela debita no circuito:

$P=U\times I$

Esta potência não é constante e tem um valor máximo para certos valores de diferença de potencial e intensidade da corrente.

Investigar o efeito da irradiância

Numa primeira fase, escolhe-se um valor constante para a resistência do circuito, variando a inclinação da incidência dos raios luminosos da lâmpada. Como consequência, a irradiância na célula fotovoltaica irá variar, pelo que será possível, através da medição da diferença de potencial e da intensidade da corrente no circuito, calcular a potência produzida pelo painel e como esta varia com a irradiância.

Investigar o efeito da diferença de potencial

Numa segunda fase, toma-se a posição perpendicular da lâmpada em relação à célula fotovoltaica. Garante-se, assim, que a irradiância se mantém constante. Alterar-se-á depois o valor da resistência no reóstato de maneira a alterar o valor da diferença de potencial nos terminais da célula. À medida que se faz esta variação, os valores da diferença de potencial e de intensidade da corrente irão variar.

Material necessário

Painel fotovoltaico
Candeeiro com lâmpada de incandescência
Amperímetro
Voltímetro
Resistência variável (reóstato)
Interruptor
Fios de ligação
Régua e transferidor

procedimento

1.

Montar o circuito elétrico:

Ligar o voltímetro em paralelo;
Usar os fios de ligação e ligar o amperímetro, o reóstato e o interruptor em série.

2.

Investigar o efeito da irradiância:

Escolher uma posição para o cursor do reóstato;
Colocar o candeeiro de modo que a luz incida perpendicularmente ao painel;
Registar os valores medidos no voltímetro e no amperímetro numa tabela;
Manter o candeeiro à mesma distância do painel e fazer com que a luz incida obliquamente neste, com duas inclinações diferentes;
Registar, para cada inclinação, os valores medidos no voltímetro e no amperímetro;
Para cada par de valores registados, calcular a potência fornecida pelo painel.

3.

Investigar o efeito da diferença de potencial nos terminais do painel:

Fazer incidir a luz do candeeiro perpendicularmente ao painel;
Começar por colocar o cursor do reóstato no máximo e registar numa tabela os valores dos aparelhos de medida;
Diminuir lentamente a resistência e registar os valores medidos no voltímetro e no amperímetro após cada diminuição;
Calcular a potência útil no circuito para cada par de valores registados;
Traçar o gráfico da função $P=f(U)$ e determinar o ponto no qual a potência é máxima.

Tratamento de resultados

Apresentam-se, de seguida, um conjunto de dados exemplificativos daquilo que seria expectável obter nesta atividade.

Primeiro, para o estudo da influência da irradiância na potência fornecida, alterou-se o ângulo de incidência da luz emitida pela lâmpada na célula fotovoltaica. Para isso, fixou-se o valor da resistência no reóstato e registaram-se os valores de intensidade da corrente elétrica e da diferença de potencial nos terminais da resistência, para os diferentes ângulos de incidência. A tabela abaixo apresenta valores típicos obtidos com uma lâmpada de potência $60\ W$ .

Ângulo de incidência	$\boldsymbol{U (V)}$	$\boldsymbol{I (A)}$	$\boldsymbol{P(W)}$
$90º$	$1{,}526$	$2{,}5\times 10^{-3}$	$3{,}8\times 10^{-3}$
$60º$	$1{,}468$	$2{,}4\times 10^{-3}$	$3{,}5\times 10^{-3}$
$30º$	$1{,}214$	$2{,}0\times 10^{-3}$	$2{,}4\times 10^{-3}$

Conforme seria de esperar, a análise destes dados mostra que quanto mais perpendicular for o ângulo de incidência da radiação na célula, ou seja, quanto maior for a irradiância, maior será a potência gerada por ela.

De seguida, pretende-se estudar a influência da diferença de potencial nos terminais da resistência na potência gerada pela célula fotovoltaica. Para fazer variar a diferença de potencial, foi-se diminuindo o valor da resistência no reóstato e registando os valores que apareciam no voltímetro e no amperímetro.

$\boldsymbol{U(V)}$	$\boldsymbol{I(mA)}$	$\boldsymbol{P(W)}$
$1{,}526$	$2{,}5$	$3{,}8$
$1{,}326$	$12{,}6$	$16{,}7$
$1{,}135$	$17{,}3$	$19{,}6$
$0{,}733$	$20{,}5$	$15{,}0$
$0{,}261$	$21{,}3$	$5{,}6$

Estes resultados permitem traçar a curva característica da célula fotovoltaica, que é representada no gráfico seguinte.

Física e Química A; Atividades laboratoriais; 10º Ano; Radiação e potência elétrica de um painel fotovoltaico

Verifica-se, assim, que existe um valor de diferença de potencial para o qual a potência é máxima, sendo este $U = 1{,}12\ V$ , de acordo com a análise do gráfico.

Pode-se, então, concluir que, para um aproveitamento ideal de um painel fotovoltaico composto por um conjunto de células como a que foi estudada, deve garantir-se que a incidência da luz solar é tão perpendicular quanto possível (de forma a maximizar a irradiância) e que o sistema deve funcionar a uma tensão de cerca de $1{,}12\ V$ .