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An. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004

 

Eficiência energética de módulos fotovoltaicos mono e poli-cristalinos em função da radiação solar global

 

 

Odivaldo José SeraphimI; Jair Antonio Cruz SiqueiraII; Carliane Diniz e SilvaIII; Jair De Jesus FiorentinoIV; João Alberto Borges de AraújoV

IProf. Adjunto do Depto. de Engenharia Rural -UNESP/FCA - seraphim@fca.unesp.br
IIProf. MSc do CCET - UNIOESTE/Cascavel-PR e Doutorando em Energia na Agricultura - UNESP/FCA - jairsiqueira@fca.unesp.br
IIIDra em Energia na Agricultura - UNESP/FCA - Campus de Botucatu.
IVProf. MSc do DEL- UFMS/ campo Grande-MS e Doutorando em Energia na Agricultura - UNESP/FCA - jairfiorentino@terra.com.br
VProf. Dr. do Depto. De Engenharia de Produção - FATEC/Botucatu -SP

 

 

RESUMO

Esta pesquisa propõe uma metodologia para avaliar o desempenho da conversão da energia solar em energia elétrica, gerada por módulos fotovoltaicos instalados em campo, constituídos por células de silício monocristalino e policristalino. Os módulos foram avaliados quanto à sua eficiência energética para diferentes marcas e níveis de potência, em função da disponibilidade de radiação solar, utilizando-se cargas dimensionadas para o nível de potência nominal de cada módulo. Os valores de eficiência energética calculada com os dados obtidos em campo, não concordaram com as informações técnicas apresentadas pelos fabricantes dos módulos monocristalino, como sendo mais eficientes que os policristalino. Concluiu-se, portanto, que os módulos das marcas avaliadas apresentaram eficiência média inferior a 50 % dos valores fornecidos pelos fabricantes.

Palavras-chave: Energia Solar, Módulos Fotovoltaicos, Eficiência

ABSTRACT

This research proposes a methodology to evaluate the acting of the solar energy conversion in electric energy, generated by photovoltaics modules installed under field conditions, constituted monocrystalline and polycrystalline silicon cells. The modules were appraised with relationship to energy efficiency for different marks and potency levels, in function of the readiness of solar radiation, being used loads sizeds for the nominal potency level of each module. The energy efficiency values calculated with the data obtained in field, didn't agree with the technical information presented by the makers of the modules monocrystalline, as being more efficient than the polycrystalline. Was ended, therefore, that the modules of the appraised marks presented inferior medium efficiency at 50% of the values supplied by the makers.

Keywords: Solar Energy, Photovoltaics Modules, Efficiency

 

 

1. Introdução

Um dos requisitos básicos para o desenvolvimento auto-sustentável e humano de um país é o desenvolvimento de suas regiões rurais, sobretudo a melhoria da qualidade de vida. O fornecimento de energia elétrica para o setor rural, através de métodos convencionais, é elevado, pois o transporte e a distribuição acabam se tornando mais dispendiosos do que a própria geração de energia.

Com a escassez das fontes convencionais de produção de energia, outras opções devem ser consideradas, como a utilização de recursos energéticos renováveis, que oferecem múltiplas vantagens: possibilitam o uso da mão-de-obra local, não degradam o meio ambiente e facilitam a possibilidade econômica de energia útil em pequena escala. Uma das opções para o fornecimento de energia para os usuários rurais é o sistema solar fotovoltaico.

Existem programas que fomentam a implantação de pequenos sistemas solares fotovoltaicos para população mais carente. Em muitos casos, estes sistemas são instalados e não são sistematicamente acompanhados, comprometendo o seu funcionamento e, conseqüentemente o seu rendimento.

No Brasil, a eletrificação rural com sistemas fotovoltaicos começou em escala definitiva entre 1992 e 1994, mediante projetos-piloto em cooperação com outros países, principalmente Alemanha e USA. O programa de desenvolvimento energético dos estados e municípios (Prodeem), concebido e coordenado pelo Ministério de Minas e Energia a partir de 1995, tem a tarefa de eletrificar as comunidades rurais não servidas pela rede convencional, através de fontes renováveis de energia (COSTA, 2001).

Qualquer alteração na eficiência do modulo afeta a geração de energia que, de acordo com os próprios fabricantes, é baixa, mesmo nas Condições Padrão de Teste (CPT). Contudo, é preciso efetuar teste em condições de campo, que em algum momento se aproxima das CPT para observar-se o comportamento de sua eficiência.

Pouco se estudou sobre o desempenho dos componentes e da adequação das configurações adotadas. Para tal propósito, é necessário montar um sistema de aquisição de dados automatizado, que permita acompanhar de forma detalhada e precisa o desempenho dos componentes utilizados em um sistema fotovoltaico. A partir de então, é possível recomendar modificações que o torne mais eficiente e confiável (SALVIANO, 2001).

Para Al-Ismaily e Probert (1998), demonstram que somente o silício monocristalino tem chegado próximo a tensão e corrente máxima teórica, fornecendo um bom balanço entre custo-eficiência e confiabilidade. A eficiência das células policristalinas é somente um menor do que as monocristalinas. Porém o silício policristalino é de fácil produção e, portanto, células de mais baixo custo. Embora as células de silício amorfo podem alcançar uma eficiência de 10%, este valor não é mantido por longo tempo diminuindo para 7%.

O recorde de conversão para células de silício monocristalino em laboratório é atualmente de 24%, bastante próximo do máximo rendimento teórico. Os melhores módulos disponíveis no mercado, porém tem eficiência aproximada de 15%, a diferença entre a eficiência da melhor célula de laboratório e módulos comerciais incluem perdas de interconexão entre as células no módulo fotovoltaico, área ativa do módulo fotovoltaico entre rendimento do processo produtivo (MONTENEGRO, 1999).

Progressos significativos foram alcançados recentemente com placas fotovoltaicas de silício, onde pesquisadores e fabricantes utilizam uma estrutura de tripla-junção. Estes alcançam de início 15,2% de eficiência e estabilizam em 13% em células de pequena área, já a eficiência nas placas é de 10,2% e em escala comercial a eficiência estabiliza em 8% (DENG et al., 2000).

De acordo com Suzuki e Pereira (2000), a célula monocristalina, apresenta a maior eficiência de conversão fotovoltaica chegando na atualidade a um valor máximo de 22,7%, sendo os valores típicos dentro do intervalo de 12 a 15% (em laboratório chega a 24%).

O silício policristalino, constituído por um número muito elevado de pequenos cristais da espessura de um cabelo humano, dispõe de uma quota de mercado de cerca de 30%. As descontinuidades da estrutura molecular dificultam o movimento de elétrons e encorajam a recombinação com as lacunas, o que reduz a potência de saída. Por este motivo os rendimentos em laboratório e em utilização prática não excedem os 18% e 12%, respectivamente. Em contrapartida, o processo de fabricação é mais barato que do silício monocristalino (CASTRO, 2003).

Considerar a temperatura é muito importante quanto ao uso da célula solar para geração de energia, onde ela é um fator chave na performance da célula solar por pelo menos duas razões: primeira, o rendimento da energia (e tensão) de uma célula solar diminui com o aumento da temperatura, em todo o caso depende do material da célula; em segundo, para células mono e policristalinas a expectativa de vida também diminui com o aumento da temperatura.

Para um bom projeto de sistema fotovoltaico é recomendável medir sua performance no local de instalação (MALIK e DAMIT, 2000).

As Condições Padrão de Teste (CPT) combinam com a irradiação de dia limpo de verão (1000Wh.m-2), temperatura do módulo/célula do dia claro de inverno (25 ±2ºC) e espectro solar do dia claro de primavera (AM 1,5) e velocidade do vento de 2mph. Estas condições obviamente não representam as condições reais de operação do local de investigação.

Neste sentido, este trabalho tem como objetivo, apresentar uma metodologia para analisar e avaliar a eficiência energética de módulos fotovoltaicos de constituições mono e poli-cristalinos, instalados em campo, em função da disponibilidade de radiação solar, da energia elétrica gerada, variando a inclinação em relação à latitude local, para os períodos de primavera, verão, outono e inverno. Tendo também como finalidade, a de contribuir com a aplicação e difusão da energia fotovoltaica para ser utilizada de maneira mais eficiente no meio rural, garantindo assim, a qualidade da energia gerada.

 

2. Material e Métodos

A pesquisa foi desenvolvida no Departamento de Engenharia Rural, da Faculdade de Ciências Agronômicas, da Universidade Estadual Paulista (FCA/UNESP), localizada no município de Botucatu, São Paulo, Brasil, com localização geográfica definida pelas coordenadas 22° 51' Latitude Sul (S) e 48° 26' Longitude Oeste (W) e altitude média de 786 metros, clima subtropical úmido e temperatura média anual de 22ºC.

A metodologia apresentada para avaliar o desempenho da conversão de energia solar em energia elétrica por módulos fotovoltaicos de constituições mono e poli-cristalina, e atender as Condições Padrão de Teste (CPT), foi necessário a instalação e montagem de um laboratório de eficiência energética em sistemas fotovoltaicos, dotado de equipamentos eletro-eletrônicos e de uma central de controle automatizada para medições e registros de parâmetros ambientais e elétricos.

O laboratório é formado por uma torre meteorológica de 10 m e de 02 conjuntos montados com 04 módulos de diferentes fabricantes, e foram instalados com exposição para o norte magnético, sendo denominados de conjunto CJ-1 de inclinação variável em relação à latitude local, variando proporcionalmente com as estações do ano e conjunto CJ-2, com inclinação fixa .

Inclinação dos Conjuntos CJ-1 e CJ-2

Conjunto CJ-1 ( inclinação variável)

(jan. a mar. ) 13° (Latitude local - 10°); (abr. a jun.) 23° (Latitude local ); (jul. a set.) 38° (Latitude local + 15°); (out. a dez. ) 23° (Latitude local).

Conjunto CJ-2 (inclinação fixa)

( jan. a dez. ) 33° (Latitude local + 10°).

Características Construtivas dos Módulos dos Conjuntos CJ-1 e CJ-2

  1. Módulo da marca A, potência de 65Wp, de constituição monocristalina;
  2. Módulo da marca B, potência de 70Wp,, e de constituição policristalina;
  3. Módulo da marca C, potência de 45Wp, de constituição monocristalina;
  4. Módulo da marca D, potências de (45 e 60 Wp,) (CJ-1 e CJ-2), de constituição policristalina.
    5.

Os equipamentos utilizados para as medições dos parâmetros meteorológicos e elétricos instalados na torre meteorológica e nos 02 conjuntos de módulos fotovoltaicos, são os seguintes:

As cargas utilizadas para nos módulos fotovoltaicos, foram lâmpadas de corrente CC com potências de 21 e 48 Watts, ligadas diretamente aos seus terminais, sendo que os módulos de 45 e 60 W alimentam lâmpadas de 48 W e os módulos de 65 e 70 W, alimentando lâmpadas de 48 e 21 W, ligadas em paralelo. Para medição e determinação da corrente e tensão de carga e da potência dissipada pelas cargas, utilizou-se da ligação representada pelo diagrama elétrico da Figura 01 e das Equações 01 e 02.

 

 

Onde:

IC = corrente de carga, em Ámpere [A];

mV = tensão do resistor shunt, em [mV];

FC = fator de correção = 0,2;

VC = tensão de carga, em Volt [V];

P = potência elétrica dissipada na carga, em Watt [W].

O sistema de comunicação para a transferência de dados entre o Equipamento de Aquisição de dados ( Data logger - CR23X) e o computador foi realizado através de um sistema de transmissão de dados via modem, em tempo real.

Os módulos foram submetidos às condições de campo para verificar seus desempenhos, sendo os dados coletados durante 01 ano, referente ao período de dezembro de 2002 a dezembro de 2003. O software utilizado nesta pesquisa foi o PC208W 3.3, interligado ao coletor de dados CR23X, com programação de uma sub-rotina de trabalho de coleta de dados, com os dados medidos a cada 10 segundos e média a cada 5 minutos, das grandezas meteorológicas e elétricas. Coletaram-se os valores de irradiância, tensão e corrente de carga em cada módulo e calculou-se a potência elétrica gerada e os valores calculados convertidos para valores de potência por unidade de área e integralizados diariamente. A eficiência dos módulos foi calculada pela razão entre a irradiância e a potência por unidade de área de cada módulo, com médias diárias e mensais, utilizando a energia solar incidente no plano do módulo fotovoltaico (Hcol), com uma superfície de capitação (S), e com a energia elétrica gerada (EG), pode-se calcular a Eficiência Energética de conversão do módulo (EF), através das Equações 03 e 04, adequadas das metodologias de Lorenzo (1994) e Salviano ( 2001):

 

3. Resultados

Observa-se na Tabela 01, que a variação do ângulo de inclinação dos módulos age de maneira mais significativa nos valores da eficiência dos módulos C e D do conjunto CJ-1, pois no total de 11 meses, teve-se 11 e 08 maiores valores de eficiência quando comparado com o conjunto CJ-2 de inclinação fixa. Enquanto os módulos das marcas A e B tiveram os maiores valores com a inclinação fixa de 33 °, com os maiores valores ocorrendo 08 vezes em 11 medições.

 

 

No período de coleta de dados, ilustrado pela Figura 02, os maiores valores da irradiância média diária integralizada mensal, ocorreram sobre o conjunto CJ-1, de inclinação variável (RIV), correspondente aos meses de dez/02, jan/03, fev/03, ago/03, set/03, out/03 e nov/03. Portanto, os módulos instalados no conjunto CJ-1, receberam uma incidência de radiação solar global de 30 % a mais que no conjunto CJ-2 , de inclinação fixa (RIF).

Os módulo D-1 e D-2, de constituição policristalina, apresentaram os maiores valores de eficiência média de conversão, nos valores de 5,71 e 6,46 %, respectivamente, superior aos dados dos outros módulos durante todo este período, seguido pelos módulos da marca B e A, os quais se apresentam com geração similar, e o módulo da marca C, que durante todo o período apresentou a menor geração de energia e menor eficiência dentre os quatro módulos.

Observa-se na Tabela 01 e nas Figuras a auxência dos dados do mês de março, isto deve-se ao fato de neste período foram realizados ensaios com os módulos para medições de corrente de curto-circuito e tensão de circuito aberto, sendo os dados de carga coletados somente durante 10 dias.

A Figura 02 representa a eficiência de conversão média mensal diária, referente aos módulos dos conjuntos CJ-1 e CJ-2, com os respectivos valores de irradiância média mensal diária e integralizada, em função do ângulo de inclinação dos módulos RIV e RIF. As Figuras 03 e 04, representam as curvas de tendência da eficiência de conversão média diária, referente aos módulos dos conjuntos CJ-1 e CJ-2, em função dos valores de irradiância diária integralizada RIV e RIF, referentes ao mês de maio de 2003.

A Tabela 01 e as Figuras 02, 03 e 04, ilustraram a eficiência de conversão dos módulos, onde pode-se notar que a maior eficiência dos módulos da marca D de 45 e 60Wp, de constituição policristalino, seguindo de maneira alternada pelos módulos das marcas B de 65Wp, de constituição monocristalino, e da marca A de 70Wp, de constituição policristalino, e sempre a menor eficiência o módulo da marca C 45Wp, de constituição monocristalino.

Os gráficos dos valores médios diários da eficiência estão ordenados com valores crescentes, acrescidos com as respectivas curvas de tendência, podem ser observadas através das Figuras 03 e 04, mostrando uma correlação bastante acentuada com a radiação, onde prevalecem equações de potência do segundo grau, com coeficiente de determinação R2, superiores a 0,92.

Portanto, pode-se deduzir que para os módulos das marcas A e B, não houve vantagens em variar a inclinação, visto que os maiores valores de eficiência ocorreram no conjunto CJ-2 com ângulo de inclinação fixo de 33° ( Latitude Local + 10° ), indicando portanto que para os módulos das marcas C e D, a mudança de inclinação no período foi correta, confirmando para estes módullos que há vantagens na mudança de inclinação dependendo da época do ano, atingindo ganhos em eficiência e na energia gerada, indicando assim que se adotem inclinações de 23° na primavera, 13° no verão, e 33° no outono e inverno.

 

4. Conclusões

Os dados obtidos em campo, através da metodologia utilizada, não concordando com as informações técnicas que apresentam os módulos monocristalinos, como sendo mais eficientes que os policristalinos, verificando-se para ambos os módulos, baixos valores de energia gerada e de eficiência, em função de suas potências.

Os módulos das marcas avaliadas apresentaram eficiência média inferior a 50 % dos valores, quando comparados com os dados fornecidos pelos fabricantes.

O comportamento da eficiência de conversão de energia solar em energia elétrica, é diretamente dependente da irradiância média diária e integralizada no período de maior incidência, do ângulo de inclinação dos módulos e também varia com o tipo e o fabricante dos módulos fotovoltaicos.

Existem ganhos de energia gerada e eficiência de conversão na mudança de inclinação dos módulos, dependendo da época do ano, indicando assim que se adotem inclinações de 23° na primavera, 13° no verão, e 33° no outono e inverno.

 

Agradecimentos

 

5. Referências Bibliográficas

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