Produção eficiente de energia elétrica utilizando painéis fotovoltaicos com custo operacional reduzido

jan, 2018

A procura por fontes de energias alternativas tem crescido em muitos países, buscando-se uma forma eficiente para suprir suas demandas internas. No que tange à captação da energia solar, o Brasil recebe uma irradiação média de 5 kWh/m²/dia. Esta fonte alternativa de energia renovável converte diretamente a luz solar em energia elétrica, e, após a conversão, a mesma é coletada, armazenada e processada por dispositivos eletrônicos. Sabe-se que quanto maior a radiação solar maior será a quantidade de eletricidade produzida, logo, tal irradiância mostra o espetacular potencial de utilização dessa fonte de energia dentro da matriz energética brasileira.

Um desafio existente, além da produção da energia, é a sua distribuição para os locais de consumo. Nesse aspecto, a geração distribuída tem fundamental importância, pois é uma fonte de energia ligada diretamente à rede de distribuição ou ao local de medição do cliente, podendo ser instalada próximo aos centros de carga, minimizando as perdas e atendendo, também, às regiões onde o potencial de expansão dos sistemas de transmissão ou distribuição é limitado, além de ter um aumento da eficiência energética global.

Com o desenvolvimento do conceito de smart grid, cujo objetivo é tornar o sistema elétrico de potência mais interligado e eficiente, surgiu a proposta de se utilizarem diversas fontes de energia, sendo que esses sistemas incluem geradores baseados em biomassa, turbinas de combustão, microturbinas, sistemas de concentração de energia solar térmica e fotovoltaica, pequenas centrais hidrelétricas, turbinas eólicas, entre outros e, apresentam características de serem compostos por redes renováveis.

Este trabalho apresenta um estudo voltado para a caracterização de sistemas de geração de energia elétrica fotovoltaica, evidenciando também a importância e a relação otimizada de uso entre fontes renováveis de energia. Além disso, dimensionou-se a quantidade de carga necessária para alimentar uma residência padrão, constatando a necessidade de um sistema de armazenamento de energia, este composto por quatro baterias para armazenar a carga a ser consumida pela família.

Metodologia

Este trabalho apresenta um estudo voltado para a caracterização de sistemas de geração de energia elétrica fotovoltaica, com o objetivo de analisar os aspectos que influenciam no rendimento global da instalação. Foi proposto um dimensionamento eficiente do sistema de geração fotovoltaica, bem como novas formas de alocação variável da angulação do painel solar ao longo do ano através de cálculos precisos que levam em conta a inclinação do sol no decorrer dos meses. Em seguida, propôs-se a divisão do ano em duas partes, com diferentes angulações, a fim de aumentar a potência máxima gerada. Outro fator avaliado que influencia a capacidade de geração de energia elétrica é o aumento de temperatura.

O trabalho foi desenvolvido em etapas:

1ª etapa – Dimensionamento do sistema de geração e armazenamento de energia;

2ª etapa: Cálculos de posicionamento;

3ª etapa: teste de eficiência.

Dimensionamento do sistema

Este projeto foi iniciado com o estudo de assuntos relacionados com o aproveitamento da energia solar para geração de energia elétrica, bem como os aspectos gerais do funcionamento de sistemas fotovoltaicos isolados e as características que influenciam o seu rendimento (como o posicionamento do painel fotovoltaico e efeito da temperatura), além do dimensionamento do sistema. A Figura 1 ilustra um sistema solar fotovoltaico off-grid ou autônomo.

Figura 1 - Renováveis

Figura 1 – Ilustração de um sistema de geração fotovoltaica off-grid de energia elétrica (fonte: Atlas de energia elétrica Aneel).

Analisou-se o dimensionamento do sistema fotovoltaico, calculando a energia consumida por uma casa com três pessoas, como é apresentado na Tabela 1, podendo, assim, dimensionar a capacidade do banco de baterias para o sistema que será montado, ou seja, a quantidade de baterias necessárias para alimentar uma casa (com consumo médio de aproximadamente 2500 Wh diariamente). Há uma dada importância nesses cálculos, pois na queda ou falta de energia (em decorrência do tempo nublado, chuvoso ou sombreamento), o banco de baterias entra em ação, alimentando, assim, a residência. Para calcular a energia consumida diariamente (Ec), multiplicou-se a quantidade de eletrodomésticos (X) pela potência média de cada um (P) e pelo tempo de uso diário (T), obtendo, então, o consumo diário, conforme Equação 01. Para obter o consumo mensal (Ecm), basta multiplicar o consumo diário (Ec) pelos dias de uso mensal (Y), conforme a Equação 02. Ver Tabela 1.

Ec = X * P * T                                     Eq. (01)

Ecm = Ec * Y                                       Eq. (02)

Tabela 1 - Renovaveis

A partir disso, pode-se calcular a energia produzida pelos módulos fotovoltaicos, a potência através do método da insolação, o dimensionamento do banco de baterias, bem como a quantidade de painéis fotovoltaicos a serem usados no sistema.

Na Tabela 2, calculou-se a energia produzida (Ep) pelos módulos fotovoltaicos, adotando o método da insolação, através da potência já estabelecida pelo módulo, com um valor prévio de 205 W, e área de 1,455 m², obtendo assim uma eficiência (ᶯm) de 14,0893 %, conforme Eq. 03. E utilizando a insolação diária da região do Sul da Bahia, valor obtido com o auxílio do Atlas de energia elétrica do Brasil fornecido pela Aneel, encontrou-se a energia produzida pelo painel (Ep), conforme Eq. 04.

 

Equação 2 - Renovaveis

Tabela 2  -Renovaveis

Na Tabela 3, dimensionou-se o banco de baterias, encontrando o número de baterias em série (valores necessários caso estas sejam utilizadas em série no sistema), conforme Eq. 05, a capacidade do banco de baterias (Cbanco) através da energia armazenada (Ea) multiplicando pela tensão do banco (Vbanco), conforme Eq. 06. A energia armazenada foi obtida utilizando o valor encontrado na Tabela 3 – 2486,7 Wh –, multiplicando pela profundidade de descarga da bateria, correspondente a 50%, conforme a Eq. 07. Assim como se calculou o número de baterias em série, foi calculado o número de baterias para um conjunto em paralelo, dividindo a capacidade de carga do banco de baterias (Cbanco) pela capacidade do banco de cada bateria (Cbat), conforme Eq. 08.

Tabela 3 - Renovaveis

Na Tabela 4, obteve-se a quantidade de módulos fotovoltaicos que serão necessários para o sistema. Para encontrar o número de painéis empregados dividiu-se a energia diária consumida no sistema (Ec), valor encontrado na Tabela 3, pela energia diária produzida por cada módulo (Ep), valor encontrado na Tabela 4, conforme Eq. 09.

Equação 4 -Renovaveis

Tabela4- Renovaveis

Partindo do pressuposto que existe um consumo de 2486,7 Wh diariamente, dois módulos não seriam suficientes para gerar energia para a residência, logo, serão utilizados três módulos, havendo uma sobra de energia de 652,17 Wh. Tendo em vista os constantes avanços tecnológicos, essa sobra de energia pode ser utilizada e se faz necessária quando houver a compra de novos eletrodomésticos.

Ao longo do desenvolvimento do projeto procurou-se analisar aspectos necessários para ter um maior aproveitamento do sistema de geração de energia, dentre os quais podem ser citados o posicionamento e o ângulo de inclinação da placa.

Cálculos de posicionamento

Na análise do ângulo de inclinação da placa houve, primeiramente, uma análise local/regional do posicionamento do sol e das taxas de radiação solar incidente para localização adequada das placas, com o intuito de maximizar a produção de energia elétrica e melhorar a eficiência da placa solar.

Atualmente, o posicionamento de placas fotovoltaicas é realizado de modo prático através de tabelas que relacionam a posição geográfica (latitude/longitude) para se obter uma angulação média de inclinação da placa fotovoltaica. Para tal situação, a placa é instalada de forma fixa ao longo do ano; para região sul da Bahia utiliza-se uma inclinação fixa igual a 14° referente à latitude local. Com isso, a melhor maneira de se instalar um módulo solar fixo é orientá-lo com sua face voltada para o norte geográfico, que corresponde ao ângulo azimutal. Este é o ângulo de orientação dos raios solares em relação ao norte geográfico.

Com a motivação de se melhorar a eficiência global do sistema, o projeto deu seu prosseguimento com a análise dos ângulos de inclinação da placa solar. Como o ângulo de altura do sol possui grande variação ao longo das estações do ano, sendo a altura do Sol no céu maior nos dias de verão, determinaram-se dois ângulos para a inclinação do painel, observando sua variação no período de verão-primavera e outono-inverno, e obtendo os ângulos para o horário de maior incidência de luz solar. Estes fatores são importantes e imprescindíveis para uma melhor eficiência das placas solares. O ângulo alfa calculado (ângulo de inclinação) é responsável por fazer os raios solares incidirem perpendicularmente à superfície do módulo, maximizando a captação da radiação solar direta.

Através do site Solar Topo [10], obteve-se o ângulo zenital correspondente à altura solar para todos os meses do ano em um dia fixo, e em horários em que os picos de incidência de luz são maiores, por volta de meio dia, e a latitude local. Devido à grande variação do ângulo de inclinação nos meses, calculou-se uma média para o ano, como é apresentado na Tabela 5. Além da média anual, calculou-se a inclinação dividindo o ano em duas partes, verão-primavera e outono-inverno, obtendo, assim, a inclinação para os meses de abril a setembro, correspondente ao período do outono-inverno, e de outubro a março, ao período do verão-primavera.

Tabela5 - Renovaveis

Em seguida, foram utilizados quatro ângulos, que foram parametrizados para simulação em bancada de laboratório, sendo zero grau referente à média anual calculada de 18,72º, cinco graus foi o ângulo aproximado referente à diferença entre a média anual e o ângulo de inclinação da latitude local (UESC: 14°). Os setes graus, aproximadamente, foram referentes à diferença entre o ângulo de inclinação calculado para o ano e a média verão-primavera; e o ângulo aproximado de dezesseis graus foi referente à média outono-inverno.

Resultados e discussões

Os estudos teóricos, bem como a execução do projeto, geraram alguns resultados para análise e comprovação do que foi estudado. A seguir estão os gráficos plotados a partir dos resultados obtidos no experimento.

Após a execução das medidas de tensão, corrente e temperatura, foram gerados os gráficos a fim de analisar as curvas de corrente X tensão (I x V) e potência X tensão (P x V), e observar qual das angulações trouxe uma melhor eficiência para a placa solar e quais os parâmetros físicos que impossibilitaram determinadas angulações de obterem uma melhor eficiência.

O melhor aproveitamento da energia solar ocorre quando os raios incidem perpendicularmente ao módulo [7], ou seja, com um ângulo de inclinação igual a zero grau. Tendo em vista essa característica do módulo, utilizaram-se as medidas com inclinação de zero grau para analisar os efeitos de temperatura e irradiânica sobre a placa solar.

No Gráfico 1 estão todas as curvas de posicionamento (ângulos: 0°, 5°, 7° e 16°) para I x V a uma temperatura monitorada entre 25°C e 30°C.

Grafico 1 - Renovaveis

Este gráfico apresenta a curva de corrente X tensão para os diferentes ângulos de inclinação e é possível notar que a curva que apresenta melhor rendimento refere-se à inclinação de zero grau, ou seja, quando o sol se posiciona perpendicularmente à placa solar. No experimento foi utilizada uma placa composta por 15 lâmpadas incandescentes para simular o efeito de radiação solar.

O Gráfico 2 apresenta a curva P x V para os diferentes ângulos calculados.

Gráfico 2- Renovaveis

O Gráfico 2 apresenta a curva potência X tensão para esses mesmos ângulos. Nota-se que a curva que apresenta melhor desempenho é a curva referente à inclinação de zero grau.

O Gráfico 3 apresenta a curva de I x V para o ângulo de zero grau, no entanto, com temperaturas de monitoramento diferentes, sendo uma curva a 25°C ~ 30°C e outra a 65°C. O objetivo foi analisar o efeito da temperatura sobre a placa solar.

Gráfico 3 - Renovaveis

O gráfico 3 mostra as curvas de I x V para o ângulo de inclinação a zero grau, entretanto, com as temperaturas do módulo solar diferentes. A temperatura tem influência na tensão que o módulo fornece em seus terminais e, consequentemente, na potência fornecida.

O gráfico 4 apresenta a curva P x V para as diferentes temperaturas a uma mesma angulação.

Gráfico4 - Renovaveis

As tensões são maiores para temperaturas mais baixas e, em temperaturas mais altas, as tensões são menores e a corrente fornecida pelo módulo não se altera com a temperatura. É o que pode ser observado no gráfico 4, haja vista que a potência é o produto da tensão e da corrente do módulo, pois quando a temperatura aumenta, a potência fornecida pelo módulo diminui [7].

Os resultados deste trabalho indicam que o posicionamento do módulo solar apresenta forte influência nos resultados do rendimento e eficiência que ele pode apresentar. Isso porque os fatores ambientais que influenciaram significativamente na eficiência do módulo foram a temperatura e as variações angulares.

Conclusão

A relevância deste trabalho evidenciou-se através dos estudos feitos a fim de obter um melhor rendimento para o painel solar e, consequentemente, aperfeiçoar os estudos voltados para a implantação do sistema solar fotovoltaico OFF-GRID mais eficiente. Tal constatação se dá em razão da análise das curvas de eficiência para diferentes ângulos, avaliando assim o posicionamento do módulo solar.

Conclui-se que os resultados obtidos foram satisfatórios, visto que a melhor eficiência da placa era para o posicionamento perpendicular ao sol, isto é, com ângulo de inclinação igual a zero grau e isso pode ser constatado através dos gráficos X e Y.

Portanto, foi validado em laboratório que o método de alocação de placas fotovoltaicas proposto mostrou-se eficiente, considerando que apresentou uma maior quantidade de energia gerada quando comparado com a técnica convencional de posicionamento utilizando apenas a latitude do local. Além disso, o sistema apresentou baixo custo operacional.


Referências bibliográficas

(1) PACHECO, Fabiana. Economia em Destaque. Energias Renováveis: breves conceitos.

(2) PEREIRA, E. B.; MARTINS, F. R.; ABREU S. L.; RUTHER R. Atlas Brasileiro de Energia Solar. – São José dos Campos: INPE, 2006.

(3) Ministério de Minas e Energia. Disponível em: http://www.mme.gov.br/web/guest/paginainicial/outrasnoticas//asset_publisher/32hLrOzMKwWb/content/programa-de-geracao-distribuida-preve-movimentar-r-100-bi-em-investimemtos-ate-2030. Acesso em 01 de agosto de 2016.

(4) Solarterra – Soluções em Energias Alternativas. Energia Solar Fotovoltaica. Guia Prático. São Paulo – SP.

(5) GEOSOLARES. Energias Renováveis. Disponível em: http://www.geosolares.com.br/energia-solar/. Acesso em 02 de agosto de 2016.

(6) COELHO, Daniel. Escola da Energia: Como funciona a Energia Solar Fotovoltaica.

(7) Villalva, M. G.; J. R. Gazoli. “Energia Solar Fotovoltaica: conceitos e aplicações”. Editora: Érica. 2012. São Paulo.

(8) Empresa de Pesquisa Energética (EPE). “Análise da Inserção da Geração Solar na Matriz Elétrica Brasileira.” Rio de Janeiro, maio/2012 (Nota Técnica).

(9) Atlas de energia elétrica do Brasil / Agência Nacional de Energia Elétrica. 2. Ed. – Brasília: ANEEL, 2005. 243 p.: il.

(10) SOLAR TOPO. Dom calculadora posição – Azimute e Zenith. Disponível em: http://www.solartopo.com/posicao-do-sol.htm. Acesso em 04 de novembro de 2015.

 

  • Por Igor Ferreira do Prado, Taís Mirele da Silva, Marcelo Bento Pisani e Rodrigo Dórea da Silva

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