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An. 6. Enc. Energ. Meio Rural 2006

 

Eficiência de módulos fotovoltaicos monocristalinos na conversão de radiação solar em energia elétrica

 

 

Carliane Diniz e SilvaI; Odivaldo José SeraphimII

IPesquisadora Visitante do Departamento de Engenharia Agrícola - UEMA - Campus de São Luís - carlianeds@yahoo.com.br
IIProf. Adjunto do Depto. de Engenharia Rural -UNESP/FCA - seraphim@fca.unesp.br

 

 


RESUMO

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. Uma das opções ao fornecimento de energia dos usuários rurais são os sistemas solares fotovoltaicos para a promoção local da qualidade de vida. O objetivo deste estudo foi avaliar duas marcas de módulos fotovoltaicos monocristalinos em diferentes ângulos de inclinação. Os módulos apresentaram baixa eficiência de conversão em condições de campo para radiação solar incidente.

Palavras-chave: radiação solar, energia, módulo


ABSTRACT

With the scarcity of the conventional sources of energy production, other options must be considered, as the use of energy resources you renewed, that they offer to multiple advantages. One of the options to the supply of energy of the agricultural users is the photovoltaics solar systems for the local promotion of the quality of life. The objective of this study was to evaluate two marks of monocrystalline photovoltaics modules in different angles of inclination. The modules had presented low efficiency of conversion in conditions of field for incident solar radiation.

Keywords: solar radiation, energy, module.


 

 

1. Introdução

Os sistemas convencionais de fornecimento de energia elétrica, desenvolvidos principalmente através de unidades de produção e distribuição altamente centralizada, nem sempre se apresentam como a melhor opção para satisfazer as necessidades do setor rural. Isto se deve, em parte, ao alto nível de dispersão das populações das zonas rurais e as baixas demandas de energia, já que as atividades econômicas dessas populações, em geral, são muito reduzidas. Os custos de geração de energia elétricos para o setor rural, através de métodos convencionais, são elevadas, pois o transporte e a distribuição acabam se tornando mais dispendiosos do que a própria geração.

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 ao fornecimento de energia dos usuários rurais são os sistemas solares fotovoltaicos.

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

O objetivo deste estudo foi analisar e avaliar a eficiência energética de duas marcas e nível de módulos fotovoltaicos de constituição monocristaliana em função da disponibilidade de radiação solar, da energia elétrica gerada por estes módulos, considerando o período de 8 meses, tendo também como variável o ângulo de inclinação dos módulos em relação a latitude local.

Segundo Fedrizzi (1997), o serviço de eletrificação rural é basicamente caracterizado pela grande dispersão geográfica da população, baixo consumo de eletricidade, alto investimento por consumidor, elevado custo operacional, resultando num baixo retorno ou até mesmo prejuízo financeiro à concessionária de energia elétrica.

No entanto, segundo Costa (2001), estas características podem ser interpretadas como vantagens quando se trata do uso de fontes renováveis de energia em particular a solar fotovoltaica. A possibilidade de ser usada em pequena escala e gerada localmente, não necessitando de redes de distribuição, resolveria o problema de abastecimento de pequenas propriedades e comunidades isoladas.

Segundo o Manual de Engenharia (1995), o aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia.

Para Oliveira (1997), conhecer a disponibilidade e as características da irradiação solar de determinado local, bem como as propriedades básicas de funcionamento dos componentes dos sistemas fotovoltaicos, é de fundamental importância no dimensionamento correto e cuidadoso dos mesmos. Além disso, este conhecimento é também importante na hora da compra, instalação e utilização destes sistemas fotovoltaicos.

Segundo informações não oficiais, no final do ano de 2000 mais de 5MW de potência instalada de sistemas fotovoltaicos forneciam eletricidade para residências, escolas, centros comunitários, telefonia rural e bombeamento de água. Apesar do país ter uma estrutura institucional básica, que poderia servir para a disseminação dessa tecnologia, muito pouco se fez no sentido de garantir a qualidade de energia elétrica gerada por tais instalações (COSTA, 2001).

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 permite 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).

A energia irradiada do Sol atinge a superfície da Terra a uma razão de 1000W/m2. Atualmente a eficiência dos módulos solares comerciais chega aos 14%. Isto quer dizer que um módulo com área de células equivalente a 1m2 com esta eficiência pode produzir 140Wde potência elétrica sob a luz do Sol. Diversos fatores podem influenciar na potência final entregue pelo módulo; entre eles temperatura, condições climáticas, ângulo de eficiência dos raios solares, etc. (CERAGIOLI, 1997).

 

2. Material e Método

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, com localização geográfica definida pelas coordenadas 22° 51' Latitude Sul (S) e 48° 26' Longitude Oeste (W) e altitude média de 786 metros acima do nível do mar, com clima subtropical úmido e temperatura média de 22º C.

Para a monitoração dos dados meteorológicos e elétricos foi necessário a instalação e montagem de um laboratório de eficiência energética em sistemas fotovoltaicos, para atender as condições de campo, composta por equipamentos eletroeletrônicos e de uma central de controle automatizada para medições e registros de parâmetros ambientais e elétricos.

Foram utilizados 4 módulos de duas marcas diferentes, ambas de constituição monocristalina, sendo que de um marca foi um tamanho e a outra marca de outro tamanho. As características dos módulos instalados estão descritas na Tabela 01 e as características construtivas estão na Figura 01.

 

 

Para se verificar a influência da radiação solar sobre a energia gerada e na eficiência, os módulos fotovoltaicos foram colocados faceando para o norte já que estamos no Hemisfério Sul e variou-se os ângulos de inclinação de 2 módulos de marcas diferentes que variaram de acordo com a estação do ano e os outros 2 permaneceram fixos. Sendo os módulos SP65 e HM-45D12 definidos como A e B, respectivamente. Os ângulos e o dia de mudança da inclinação estão dispostos no Tabela 02.

2.1 Cálculo da Radiação Solar Global Diária

Conforme recomendação do Departamento de Recursos Naturais da FCA/UNESP, a radiação solar global no plano inclinado do módulo (Hcol) deve ser calculada pelas Equações 01 e 02:

Onde:

HInst - radiação solar global instantânea medida, em W/m2;

N - total de segundo do intervalo de medição;

Hcol - radiação solar diária incidente no plano do módulo (média diária), em W/m2;

HInst(dt) - radiação solar instantânea incidente no plano do módulo em um dado tempo (média de 5 minutos), em W/m2.

2.2 Determinação da Energia Gerada e da Eficiência do Módulo Fotovoltaico

De acordo com Salviano (2001), a energia solar incidente no plano do módulo fotovoltaico (Hcol), com uma superfície de capitação (S), e a energia elétrica gerada (EG), pode-se calcular a Eficiência Energética de conversão do módulo (EF), através da Equação 03 e 04:

0nde: IC e VC são as correntes e as tensões de carga dos módulos.

As cargas foram alimentadas pelos módulos fotovoltaicos, são lâmpadas de corrente CC com potência de 48 Watts, ligadas diretamente aos terminais dos módulos fotovoltaicos, em paralelo.

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 descritas.

 

3. Resultados

Observa-se na Tabela 03, que a variação do ângulo de inclinação dos módulos age de maneira mais significativa nos valores tanto da energia gerada quanto da eficiência do módulo B1 em relação ao módulo B2, pois em todos os meses teve maiores valores o módulo que variou a inclinação quando comparado ao que permaneceu com inclinação fixa. Entretanto O mesmo não foi constatado para o A1, que variou a inclinação durante o período em questão, 8 meses, nos primeiros 4 meses A1 foi superior ao A2 de inclinação fixa, mas este último foi superior nos outros meses e com um diferença bem mais significativa. Com o auxílio da Figura 02, observa-se que no período de coleta de dados, os maiores valores da irradiância média diária integralizada mensal, ocorreram sobre os módulos na inclinação variável (RIV) que compreende os meses de dezembro de 2002 a março de 2003 e de abril até julho de 2003 as médias não tiveram diferença significativa. Mesmo assim para o módulo B2 não houve vantagens em permanecer com a inclinação fixa de 33º (Latitude Local + 10°), visto que os maiores valores de eficiência ocorreram no módulo B1 com ângulo de inclinação variada, indicando, portanto que para o módulo desta marca, a mudança de inclinação no período foi correta, confirmando para este módulo que há vantagens na mudança de inclinação dependendo da época do ano, atingindo ganhos significativos em eficiência e na energia gerada. Já o mesmo não pode-se afirmar do A1, quanto à mudança de ângulo de inclinação, pois o melhores resultados para A2 em relação a A1 ocorreram a partir de março quando a inclinação do variável foi para 23º e o fixo de 33º obteve mais ganho em energia e eficiência, ou seja, para o módulo desta marca, a mudança de inclinação no período não apresentou resultado muito significativo, portanto para este módulo não há vantagens na mudança do ângulo de inclinação.

A Figura 02, mostra os valores de radiação solar média mensal diária integralizada nos ângulos de inclinação dos módulos, durante o período do estudo e a energia gerada média mensal dos 4 módulos. A Figura 03 pode-se visualizar que a eficiência do módulo A seja em que ângulo esteja é sempre maior que o módulo B, observando a Figura 01 pode-se dizer que esse resultado além de outros fatores deve ser influenciado também pela forma de ocupação espacial das células no módulo.

Ainda na Figura 03, pode-se verificar a diferença percentual de eficiência nos 4 módulos, observa-se que até o mês de março/2003, ambos os módulos de inclinação variável apresentam valores superiores aos de inclinação fixa. A partir de abril o módulo de marca A, na inclinação fixa apresentaram valores superiores e os da marca B permaneceram superiores o que variou a inclinação. Tem a mesma constituição, mas apresentam comportamentos diferentes, a partir de abril/2003.

 

4. Conclusão

A variação do ângulo de inclinação do módulo não influenciou de maneira significativa nos valores da eficiência e da potência gerada para o módulo SP65 da Siemens, confirmando que independendo da época do ano, não há muitas vantagens na mudança de inclinação deste módulo, já o de inclinação fixa de 33º atingiu ganhos altos em eficiência e energia gerada, indicando assim que se adotem inclinação de 33° (Latitude + 10°) durante o ano.

Para o módulo HM45D12 da Heliodinâmica, a mudança de inclinação trouxe ganhos positivos durante todo o período analisado, tendo um comportamento diferenciado do outro módulo, pois correspondeu diretamente com a inclinações utilizadas nesta pesquisa, o que faz-se deduzir que este tipo de módulo é bastante influenciado pela inclinação graduada, portanto sugere-se mantê-lo também em constante mudança de inclinação, de no mínimo quatro vezes por ano, obedecendo as inclinações de 23°, 13°, 23° e 38° nas estações de primavera, verão, outono e inverno, respectivamente.

Os dados obtidos em campo não estão concordando com as informações técnicas que apresentam os módulos monocristalinos, verificando-se ainda para ambos as marcas, baixos valores de energia gerada e de eficiência, em função de suas potências, quando comparados com os dados fornecidos pelos fabricantes.

 

Agradecimentos

Ao CNPq pela concessão da bolsa.

A FAPESP pelo financiamento do projeto.

 

5. Referências

AL-ISMAILY, H.A., PROBERT, D. Photovoltaic electricity prospects in Oman. Applied Energy. ELSEVIER, v. 59, n. 2-3, p. 97-124, 1998. Disponível em: <http:www.fca.unesp.br/biblioteca> acesso restrito. Acesso em: 06 set. 2002.

CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA/CENTRO DE REFERÊNCIA PARA ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO (CEPEL/CRESESB). Sistemas fotovoltaicos: manual de engenharia. 1. ed. Rio de Janeiro, RJ, 1995. 238 p.

CERAGIOLI, P.C. Manual de energia solar fotovoltaica. São José dos Campos: Siemens, RC Com Sistemas Ltda., 1999.

COSTA, H.S. A qualidade de energia de sistemas fotovoltaicos domésticos em áreas rurais. Energia Rural, São Paulo, v.31, n. 5, p.172-81, set. 2001.

FEDRIZZI, Maria Cristina. Catalogação e descrição bibliográfica: Fornecimento de água com sistemas de bombeamento fotovoltaicos. São Paulo, SP: EDUSP, 1997. Originalmente apresentada como dissertação de mestrado, Universidade de São Paulo, 1997.

SALVIANO, C.J.C. Eletrificação rural a partir da tecnologia fotovoltaica. Eletricidade Modernas, São Paulo, n. 327, p. 184-200, jun 2001.