Nanocrystalline p-layer for a-Si:H p-i-n solar cells and photodiodes

We report on structural, electronic, and optical properties of boron-doped, hydrogenated nanocrystalline silicon (nc-Si:H) thin films deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) at a substrate temperature of 150 degrees C. Film properties were studied as a function of trimethylboron-to-silane ratio and film thickness. The absorption loss of 25% at a wavelength of 400 nm was measured for the 20 nm thick films on glass and glass/ZnO:Al substrates. By employing the p(+) nc-Si:H as a window layer, complete p-i-n structures were fabricated and characterized. Low leakage current and enhanced sensitivity in the UV/blue range were achieved by incorporating an a-SiC:H buffer between the p- and i-layers.

Transport properties in microcrystalline silicon solar cells under AM1.5 illumination analysed by two-dimensional numerical simulation

Microcrystalline silicon is a two-phase material. Its composition can be interpreted as a series of grains of crystalline silicon imbedded in an amorphous silicon tissue, with a high concentration of dangling bonds in the transition regions. In this paper, results for the transport properties of a mu c-Si:H p-i-n junction obtained by means of two-dimensional numerical simulation are reported. The role played by the boundary regions between the crystalline grains and the amorphous matrix is taken into account and these regions are treated similar to a heterojunction interface. The device is analysed under AM1.5 illumination and the paper outlines the influence of the local electric field at the grain boundary transition regions on the internal electric configuration of the device and on the transport mechanism within the mu c-Si:H intrinsic layer.

Torre solar: estudo do rendimento e viabilidade de centrais térmicas solares para produção de energia eléctrica de pequena e média dimensão

O aproveitamento da radiação solar representa um recurso energético extremamente benéfico, quer no âmbito energético, quer no ambiental, contribuindo para a redução das emissões de gases nocivos para a atmosfera. Portugal apresenta uma radiação solar total média anual bastante elevada, colocando-se entre um dos países que apresentam melhores potencialidades para o aproveitamento da energia solar. A torre solar consiste numa estufa com uma determinada extensão com uma chaminé no seu centro e o seu funcionamento baseia-se no aquecimento do ar que circula por baixo da estufa, sendo expelido pela chaminé. Nesta tese é abordado o tema da torre solar e os princípios físicos inerentes ao seu funcionamento. Foi estudado e descrito o método de cálculo de diversos parâmetros e resultados associados ao funcionamento da torre solar. Elaborou-se uma folha de cálculo para obtenção dos valores de simulações de torres com diversas dimensões, tecendo-se conclusões quanto aos resultados e às variações dos mesmos, consoante as alterações de dimensão dos elementos que a constituem. Foram descritos os vários elementos que constituem uma torre solar, bem como as suas características e tipologias. Efectuou-se um estudo com aplicação a um caso real, para se tecer algumas conclusões e comentários relativamente à viabilidade de uma torre solar para a situação em causa. Por fim, com base em todo o trabalho desenvolvido e abordado, foi possível tecer-se algumas conclusões quanto à viabilidade das torres solares.

Estudo comparativo do desempenho da tecnologia de termossifão e de circulação forçada no âmbito do aquecimento solar térmico

O objeto da presente tese é o estudo comparativo do desempenho de soluções de aquecimento de águas quentes sanitárias (AQS) de dois sistemas solares alternativos, um sistema do tipo Termossifão “versus” um sistema de Circulação Forçada. Foi realizada uma campanha de medições durante um ano, que permitiu avaliar o desempenho dos dois sistemas e as poupanças que resultaram da utilização de um sistema solar, em comparação com um sistema convencional de aquecimento de águas quentes com recurso a gás natural. Estes dados experimentais foram confrontados com os resultados de simulação fornecidos por software dedicado ao cálculo de energia em sistemas solares, conhecido como SolTerm. Concluiu-se que, para o perfil de consumo estabelecido, os sistemas de Circulação Forçada e de Termossifão Reais, tiveram um desempenho equivalente. Na simulação realizada no SolTerm, o sistema Termossifão foi mais eficiente, com um fração solar de 69,7%. Já para o sistema de Circulação Forçada a fração solar foi de 63,3%, com uma diferença de produtividade anual de 67 kWh/m2 de coletor. Contrariamente ao que era previsto pelo SolTerm, ambos os sistemas Reais tiveram desempenhos inferiores, obtendo frações solares de 55,8% e 58,5% para o Termossifão e Circulação Forçado respetivamente. Para o Termossifão esta diferença foi mais acentuada, ao passo que no Circulação Forçada se aproximou do comportamento previsto na simulação.

A Step-up mu-Power Converter for Solar Energy Harvesting Applications, using Hill Climbing Maximum Power Point Tracking

This paper presents a step-up micro-power converter for solar energy harvesting applications. The circuit uses a SC voltage tripler architecture, controlled by an MPPT circuit based on the Hill Climbing algorithm. This circuit was designed in a 0.13 mu m CMOS technology in order to work with an a-Si PV cell. The circuit has a local power supply voltage, created using a scaled down SC voltage tripler, controlled by the same MPPT circuit, to make the circuit robust to load and illumination variations. The SC circuits use a combination of PMOS and NMOS transistors to reduce the occupied area. A charge re-use scheme is used to compensate the large parasitic capacitors associated to the MOS transistors. The simulation results show that the circuit can deliver a power of 1266 mu W to the load using 1712 mu W of power from the PV cell, corresponding to an efficiency as high as 73.91%. The simulations also show that the circuit is capable of starting up with only 19% of the maximum illumination level.

Boron-doped nanocrystalline silicon thin films for solar cells

This article reports on the structural, electronic, and optical properties of boron-doped hydrogenated nanocrystalline silicon (nc-Si: H) thin films. The films were deposited by plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) at a substrate temperature of 150 degrees C. Crystalline volume fraction and dark conductivity of the films were determined as a function of trimethylboron-to-silane flow ratio. Optical constants of doped and undoped nc-Si: H were obtained from transmission and reflection spectra. By employing p(+) nc-Si: H as a window layer combined with a p' a-SiC buffer layer, a-Si: H-based p-p'-i-n solar cells on ZnO:Al-coated glass substrates were fabricated. Device characteristics were obtained from current-voltage and spectral-response measurements. (C) 2011 Elsevier B. V. All rights reserved.

Intelligent management of end consumers loads including electric vehicles through a SCADA system

The large penetration of intermittent resources, such as solar and wind generation, involves the use of storage systems in order to improve power system operation. Electric Vehicles (EVs) with gridable capability (V2G) can operate as a means for storing energy. This paper proposes an algorithm to be included in a SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) system, which performs an intelligent management of three types of consumers: domestic, commercial and industrial, that includes the joint management of loads and the charge/discharge of EVs batteries. The proposed methodology has been implemented in a SCADA system developed by the authors of this paper – the SCADA House Intelligent Management (SHIM). Any event in the system, such as a Demand Response (DR) event, triggers the use of an optimization algorithm that performs the optimal energy resources scheduling (including loads and EVs), taking into account the priorities of each load defined by the installation users. A case study considering a specific consumer with several loads and EVs is presented in this paper.

Modelling real solar cell using PSCAD/MATLAB

This paper presents the development of a solar photovoltaic (PV) model based on PSCAD/EMTDC - Power System Computer Aided Design – including a mathematical model study. An additional algorithm has been implemented in MATLAB software in order to calculate several parameters required by the PSCAD developed model. All the simulation study has been performed in PSCAD/MATLAB software simulation tool. A real data base concerning irradiance, cell temperature and PV power generation was used in order to support the evaluation of the implemented PV model.

Avaliação económica de um investimento em geração de energia das ondas e energia solar térmica

O presente trabalho tem como objectivo efectuar a avaliação económica e determinar a viabilidade com e sem os incentivos fiscais de duas tecnologias de conversão de duas fontes distinta e emergentes de energia renovável, o Concentrador Cilindro-parabólico e a Torre Solar para a energia solar termoeléctrica e a Coluna de Água Oscilante e o Pelamis para a energia das ondas. Realiza-se uma curta abordagem à energia Solar e à energia dos Oceanos, e às tecnologias existentes para estes tipos de energia renovável. Apresenta-se um estudo do potencial em Portugal e no Mindo, das tecnologias abordadas neste trabalho. É desenvolvido o modelo de conversão de energia para as centrais solares termoeléctricas e utilizado o modelo de superfície de potência para as centrais de energia das ondas adaptado de António Falcão. As centrais são modeladas por meio de uma folha de cálculo, onde é calculada a energia produzida em Mértola e São Pedro de Moel (energia solar termoeléctrica e das ondas respectivamente) consoante o recurso do local. É feita a avaliação económica para quatro cenários designados como optimista, base, pessimista e base sem aplicação da tarifa bonificada, e é realizada uma análise de sensibilidade do VAL a diversas variáveis. Conclui-se sobre a viabilidade dos vários cenários e sobre possíveis alterações à tarifa binificada en consequência dos resultados obtidos. Segundo os pressupostos deste trabalho concluíu-se que a tarifa bonificada é demasiado elevada para os projectos em energia solar de concentração e demasiado baixa para projectos em energia das ondas.

Execução de um projecto solar térmico para uma instalação de A.Q.S. da Escola Básica Guilherme Stephens

O presente documento tem como principal objectivo efectuar o projecto de dimensionamento de um sistema de águas quentes sanitárias para uma escola. Numa primeira fase foi elaborado uma pesquisa sobre o contexto energético, a nível mundial, europeu e nacional, bem como o seu contexto jurídico a nível europeu e nacional, e uma explicação superficial sobre os fundamentos da energia solar, onde se foca a importância da radiação solar e os vários tipos de sistemas solares térmicos, bem como os seus constituintes. Segue-se a abordagem ao caso de estudo onde foram efectuados inicialmente inquéritos como forma de determinar os consumos de água quente utilizada nessa escola. Continuou-se o estudo efectuando-se a variação de duas características do sistema solar: o tamanho dos depósitos e o tipo de colectores solares a aplicar. Após as simulações efectuadas para a determinação das soluções a aplicar ao sistemasolar e apresentadas ao longo do presente documento, foram efectuadas análises económicas como forma de se verificar a viabilidade do sistema a aplicar. Por último foram elaboradas conclusões sobre o sistema a aplicar e apresentados alguns cenários financeiros do mesmo.

Effect of the compact Ti layer on the efficiency of dye-sensitized solar cells assembled using stainless steel sheets

Titanium films have been deposited on stainless steel metal sheets using dc magnetron sputtering technique at different substrate temperatures. The structure of the titanium films strongly depend on the substrate temperature. The titanium film deposited at the substrate temperature lower than 300 ◦C has a loose flat sheet grains structure and the titanium film prepared at the substrate temperature higher than 500 ◦C has a dense nubby grains structure. The DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at high substrate temperature has a low charge transfer resistance in the TiO2/Ti interface and results in a high conversion efficiency. The DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at temperature higher than 500 ◦C has higher conversion efficiency than that assembled using titanium metal sheet as the substrate. The maximum conversion efficiency, 2.26% is obtained for DSSC assembled using stainless steel sheet coated with titanium film deposited at 700 ◦C substrate temperature, which is about 70% of the conversion efficiency of the FTO reference cell used in this study.

Queimadura solar em jovens: estudo de base populacional no Sul do Brasil

OBJETIVO: Analisar a prevalência e fatores de risco para queimadura solar em jovens com idade entre 10 e 29 anos. MÉTODOS: Estudo transversal de base populacional com amostragem em múltiplos estágios, realizado com residentes da zona urbana de Pelotas, Rio Grande do Sul, entre os meses de outubro e dezembro de 2005. Para a coleta de dados foram feitas entrevistas com 1.604 indivíduos, utilizando questionário padronizado e pré-codificado com informações sobre a família e outro questionário aos indivíduos com idade entre dez e 29 anos para avaliação da ocorrência de episódios de queimadura solar. Queimadura solar foi definida como ardência na pele após exposição ao sol. Para as comparações entre proporções, utilizou-se teste do qui-quadrado com correção de Yates. Na análise multivariada utilizou-se a regressão de Poisson com controle para efeito de delineamento e ajuste robusto da variância. RESULTADOS: Das pessoas com idade entre 10 e 29 anos, 1.412 relataram exposição ao sol no último verão. As perdas e recusas somaram 5,5%. Queimadura solar no último ano foi relatada por 48,7% dos entrevistados. As variáveis associadas à ocorrência de queimadura segundo a análise multivariada foram: cor da pele branca (RP=1,41; IC 95%: 1,12;1,79), maior sensibilidade da pele quando exposta ao sol (RP=1,84; IC 95%: 1,64;2,06), idade entre 15 e 19 anos (RP=1,30; IC 95%: 1,12;1,50), pertencer ao quartil de maior renda (RP=1,20; IC 95%: 1,01;1,42) e fazer uso irregular de fotoprotetor (RP=1,23; IC 95%: 1,08;1,42). CONCLUSÕES: A prevalência de queimadura solar na população estudada foi alta, principalmente entre jovens, de pele branca, com maior sensibilidade da pele, de maior renda e que faziam uso irregular de fotoprotetor. A exposição solar em horários seguros e com métodos de proteção adequados deve ser estimulada.

Central de produção de energia eléctrica a partir de energia solar térmica

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Produção de hidrogénio por fotoeletrólise da água – aproveitamento do subproduto oxigénio

A noção de Economia relativa ao Hidrogénio no vocabulário dos líderes políticos e empresariais tem vindo a mudar sobretudo pela preocupação da poluição global, segurança energética e mudanças climáticas, para além do crescente domínio técnico dos cientistas e engenheiros. O interesse neste composto, que é o elemento mais simples e abundante no universo, está a crescer, devido aos avanços tecnológicos das células de combustível – as potenciais sucessoras das baterias dos aparelhos portáteis eletrónicos, centrais elétricas e motores de combustão interna. Existem métodos já bem desenvolvidos para produzir o hidrogénio. Contudo, destacase a eletrólise da água, não só por ser um método simples mas porque pode utilizar recursos energéticos renováveis, tais como, o vento ou os painéis fotovoltaicos, e aumentar a sua eficiência. Os desafios para melhorar a utilização deste método consistem em reduzir o consumo, a manutenção e os custos energéticos e aumentar a confiança, a durabilidade e a segurança. Mais ainda, consistem em rentabilizar o subproduto oxigénio pois é um gás industrial e medicinal muito importante. Neste trabalho, estudou-se a viabilidade económica da instalação de uma unidade de produção de hidrogénio e oxigénio puros por eletrólise da água, utilizando como fonte energética a energia solar, na empresa Gasoxmed – Gases Medicinais S.A., pretendendo num futuro próximo, comercializar o hidrogénio como fonte de energia, e por outro lado, aproveitar o subproduto oxigénio para utilização industrial. Projetou-se assim uma unidade utilizando um eletrolisador da marca Proton, modelo C30, com capacidade de produção gasosa de 3 kg/h (30 m3/h) de hidrogénio e 20 kg/h (15 m3/h) de oxigénio. Os gases produzidos são comprimidos num compressor da marca RIX a 200 bares para posterior armazenamento em cilindros pressurizados. Dimensionou-se ainda um sistema de miniprodução fotovoltaico com potência 250 kW para alimentar eletricamente a instalação. A realização do projeto na nova área de produção necessitará de 1.713.963€, os quais serão adquiridos por empréstimo bancário. Definiram-se todos os custos fixos associados ao projeto que perfazem um total de 62.554€/mês para os primeiros 5 anos (duração do crédito bancário) findo o qual diminuirão para 21.204€/mês. Da comercialização do hidrogénio, do oxigénio industrial e da eletricidade produzida no sistema de miniprodução de 250 kW, prevê-se um lucro mensal de 117.925€, perfazendo assim um total líquido mensal positivo de 55.371€ durante os primeiros 5 anos e a partir daí de 96.721€/mês, resultando uma amortização do investimento inicial no final do 3º ano.

Structural modification of TiO2 nanorod films with an influence on the photovoltaic efficiency of a dye-sensitized solar cell (DSSC).

TiO2 nanorod films have been deposited on ITO substrates by dc reactive magnetron sputtering technique. The structures of these nanorod films were modified by the variation of the oxygen pressure during the sputtering process. Although all these TiO2 nanorod films deposited at different oxygen pressures show an anatase structure, the orientation of the nanorod films varies with the oxygen pressure. Only a very weak (101) diffraction peak can be observed for the TiO2 nanorod film prepared at low oxygen pressure. However, as the oxygen pressure is increased, the (220) diffraction peak appears and the intensity of this diffraction peak is increased with the oxygen pressure. The results of the SEM show that these TiO2 nanorods are perpendicular to the ITO substrate. At low oxygen pressure, these sputtered TiO2 nanorods stick together and have a dense structure. As the oxygen pressure is increased, these sputtered TiO2 nanorods get separated gradually and have a porous structure. The optical transmittance of these TiO2 nanorod films has been measured and then fitted by OJL model. The porosities of the TiO2 nanorod films have been calculated. The TiO2 nanorod film prepared at high oxygen pressure shows a high porosity. The dye-sensitized solar cells (DSSCs) have been assembled using these TiO2 nanorod films prepared at different oxygen pressures as photoelectrode. The optimum performance was achieved for the DSSC using the TiO2 nanorod film with the highest (220) diffraction peak and the highest porosity.