AL 3.1 - Radiação e potência elétrica de um painel fotovoltaico

 

Versão

Pretende-se efetuar uma atividade laboratorial que dê resposta à seguinte questão:

Qual é a influência da irradiância e da diferença de potencial elétrico no rendimento de um painel fotovoltaico?

Os painéis fotovoltaicos têm maior rendimento para temperaturas não muito altas. Por isso, é conveniente que os candeeiros não fiquem muito próximos dos painéis.

Por razões que se prendem com o tempo disponível, há vantagens em construir tabelas e elaborar os gráficos usando meios informáticos. Porém, os alunos devem compreender o conceito de escala e devem interpretar os resultados obtidos.

É relevante para um melhor desenrolar da atividade que os alunos tenham preparado previamente uma folha de cálculo. Nessa folha de cálculo devem ter uma tabela onde colocam os valores das medidas e fórmulas que calculam outras grandezas necessárias, como a potência, e também um gráfico pré-elaborado. Simultaneamente com a recolha de dados têm a visualização do seu tratamento. Para determinar a tensão que maximiza a potência fornecida pelo painel, este proce­dimento tem significativas vantagens. Como a potência máxima coincide com o ponto de inversão na tendência de variação da potência com a tensão, os alunos devem concluir que nas proximidades desse valor têm de recolher mais pontos. Só assim conseguirão obter a potência máxima com maior precisão. 

Para estudar o efeito da variação da irradiância, através da variação da direção de incidência da luz relativamente ao painel, pode arranjar-se um suporte onde se coloque o painel com inclinações previamente definidas.

 

Questões pré-laboratoriais

1. Por que razão a incidência de radiação numa célula fotovoltaica pode estar na origem da produção de energia elétrica?

  

2. Qual é a constituição de um painel fotovoltaico?

3. Uma lâmpada LED funciona com corrente contínua, mas um ventilador funciona com corrente alternada. Qual destes dispositivos poderá ser ligado diretamente aos terminais de um painel fotovoltaico? Justifique.

4. Suponha que tem dois painéis fotovoltaicos iguais e pode usá-los como geradores num circuito. Numa situação I usa apenas um painel. Numa situação II usa os dois painéis ligados em série. Compare a diferença de potencial elétrico disponibilizada para o circuito, assim como a corrente, na situação II relativamente à situação I. Suponha constante a irradiância.

5. Observe o gráfico da Fig. referente ao comportamento de uma célula fotovoltaica.

Determine um valor aproximado para a potência máxima que ela pode disponibilizar, correspondente à situação de rendimento máximo.

6. Pretende-se investigar a influência da irradiância na potência disponibilizada por um painel. Que orientação prevê para a radiação incidente, em relação ao painel, que maximize a potência do painel?

7. Para investigar a influência da diferença de potencial na potência do painel deve montar um circuito cujo gerador seja o painel fotovoltaico. Que medições deve fazer para medir estas grandezas? Que instrumentos de medida deve usar?

 

Trabalho laboratorial

Observe o esquema da Fig. um circuito como este permitirá investigar as condições de rendimento máximo de um painel fotovoltaico, isto é, de potência máxima. Use a luz de um candeeiro para incidir no painel.

1. Identifique o material necessário e faça a montagem do circuito.

2. Para investigar como a irradiância influencia a potência do painel, faça incidir luz sobre ele. Feche o circuito e escolha escalas adequadas para os aparelhos de medida.

a) Construa uma tabela para registar os valores dos aparelhos de medida e as respetivas incertezas de leitura (em unidades SI) e o correspondente valor para a potência.

b) Faça variar a irradiância sobre o painel orientando este de modo que:

• a luz incida perpendicularmente ao painel;

• a luz incida obliquamente no painel, em duas orientações diferentes.

Nestes procedimentos o candeeiro deve manter-se sempre à mesma distância do painel (mas não demasiado perto, o aquecimento pode danificar a célula!) e o cursor do reóstato numa posição fixa. Porquê?

Registe na tabela os três pares de valores marcados nos aparelhos.

c) Faça variar a irradiância sobre o painel interpondo dois filtros diferentes, simulando um dia com mais irradiância e outro com menos. Registe na tabela os dois pares de valores marcados nos aparelhos.

3. Para investigar como a diferença de potencial elétrico nos terminais do painel influencia a sua potência, terá de construir um gráfico (de pontos) da potência em função da diferença de potencial.

Faça incidir a luz perpendicularmente sobre o painel e não mude a sua orientação.

a) Construa uma nova tabela para registar as medições diretas e a potência correspondente.

b) Faça variar a resistência no circuito desde um mínimo até a um máximo, de modo a adquirir um conjunto de pontos distribuídos entre aqueles valores (onde se verificar maior variação nos valores medidos deve haver um maior número de pontos). Registe os valores na tabela.

 

 

Questões pós-laboratoriais

1. Complete as tabelas de dados experimentais com os valores das potências.

2. Qual é a orientação da luz em relação ao painel que maximiza a sua potência?

3. Como é que a interposição de filtros influencia a potência do painel?

4. Construa o gráfico da potência em função da diferença de potencial. Qual é a diferença de potencial que otimiza o rendimento do painel?

 

Questões Complementares

1. Para simular um circuito elétrico de uma casa com um gerador fotovoltaico, montou-se um circuito com um painel fotovoltaico, um reóstato, um amperímetro e um voltímetro. Com as medidas do voltímetro e do amperímetro, calculou-se a potência elétrica do painel para diversas resistências.

Com base nos dados, representou-se a potência elétrica em função da resistência do reóstato, conforme se reproduz na figura seguinte.

Verificou-se que a potência máxima fornecida pelo painel, 57,2 mW, ocorreu para uma resistência de 0,37 k W.

a) Selecione o esquema do circuito construído.

b) Como se observa no gráfico, no estudo variou-se a resistência elétrica para determinar a potência fornecida pelo painel. Os valores medidos da corrente elétrica e da tensão serão diretamente proporcionais?

c)  Que característica do circuito da casa, com gerador fotovoltaico, simula a resistência do reóstato?

d) Determine as leituras do amperímetro e do voltímetro na unidade SI de cada grandeza, para a situação em que o rendimento do painel é máximo.

2. Montou-se um circuito com um painel fotovoltaico, um amperímetro e uma resistência variável à qual se associa um voltímetro. Iluminou-se o painel com uma lâmpada de 60 W, fixa a uma certa distância e com incidência perpendicular.

Variou-se a resistência e, com base nas medidas do amperímetro e do voltímetro, elaborou-se o gráfico da potência fornecida à resistência em função da diferença de potencial elétrico fornecida pelo painel (tensão de saída do painel), o qual se reproduz na figura seguinte.

a) Apresente a leitura que teria sido realizada no amperímetro para uma diferença de potencial elétrico de 0,34 V.

b) Para que valores de diferença de potencial elétrico o painel fornece a potência de 14 mW?

c) Determine a resistência elétrica na situação em que rendimento do painel é máximo.

d) Justifique a seguinte afirmação: «Quando se compara a energia elétrica consumida pela lâmpada com a produzida pelo painel, verifica-se que, nas condições desta experiência, o rendimento máximo do sistema constituído pela lâmpada e pelo painel é 0,03%.»

e) Indique dois fatores que contribuam para um valor de rendimento tão baixo.

f) Se, para uma determinada resistência, se alterar a orientação do painel de modo a que a luz deixe de incidir perpendicularmente, prevê-se que ocorra ... da diferença de potencial elétrico e ... da potência fornecida em relação à situação de incidência perpendicular.

A. um aumento …. um aumento

B. um aumento …. uma diminuição

C. uma diminuição …. uma diminuição

D. uma diminuição …. um aumento

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